universidad nacional autónoma de nicaragua, león facultad de

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE NICARAGUA, LEÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES Y MEDIO AMBIENTE 1ra. Ed.
TÍTULO:
DISEÑO DE UNA CALDERA EXPERIMENTAL PARA BIOMASA SÓLIDA
PREVIO PARA OPTAR AL TÍTULO DE MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES Y MEDIO
AMBIENTE
AUTOR:
ING. MIGUEL FRANCISCO ARÉVALO MARTÍNEZ
TUTORA:
ANA MARÍA GONZÁLEZ DE MENJÍVAR, MSc.
San Salvador, noviembre de 2013.
RESUMEN
La presente investigación ha sido realizada con el objetivo de diseñar una caldera experimental para
producir vapor utilizando como combustible biomasa sólida (leña de diversas especies forestales
especialmente o para pruebas con residuos de actividades agroindustriales). Actualmente ya existen
en el país plantas productoras de energía eléctrica a partir de residuos agroindustriales como es el
caso de los ingenios azucareros, que además de producir azúcar, cogeneran para aprovechar el
remanente de la energía calorífica del bagazo de caña, pero habría que investigar la posibilidad de
aprovechar otro tipo de residuo agroindustrial. También, el aprovechamiento de la energía calorífica
de la biomasa sólida en la forma de la leña es algo que ha acompañado a la humanidad desde el
descubrimiento del fuego, pero el hecho de aprovecharla no solamente para cocinar alimentos sino
que también como una fuente de energía renovable es algo que en la actualidad es de interés en
países desarrollados desde hace varios años. Debido a esto es que se ha pensado aprovechar los
diferentes trabajos de graduación llevados a cabo en la Universidad de El Salvador y
específicamente en la Escuela de Ingeniería Química e Ingeniería de Alimentos de la Facultad de
Ingeniería y Arquitectura, y de otras universidades, en lo referente a los diferentes valores de poder
calorífico investigados.
Lo interesante de esta investigación es que ha sido posible calcular los parámetros principales de
una caldera experimental que pueda generar vapor a partir de biomasa sólida como combustible, y a
una escala que pueda ser manipulada por si se requiriera ajustes en el diseño para su posterior
construcción. En esta caldera experimental se podrían analizar los gases de combustión exhaustos
que salen por la chimenea para poder cuantificar la contaminación que se puede producir al utilizar
la biomasa sólida como combustible.
La caldera que se diseñó es una tipo de tubos de fuego o tubos de humo o sea que los gases de
combustión fluirán por dentro de los tubos que estarán contenidos en el interior de la carcasa. La
transferencia de calor se dará a través del espesor de los tubos desde los gases de combustión
hasta el agua que estará del lado exterior de los tubos, pero contenida en la carcasa, la cual entrará
en ebullición para producir el vapor. La orientación será vertical por considerar que con esto se
facilita su diseño y también porque la caldera que se tuvo la oportunidad de observar y tomar
algunas medidas estaba orientada así. La transferencia de calor se consideró que se dará en estado
estable o sea que la cantidad de calor que fluirá desde los gases de combustión radialmente a través
del espesor de los tubos hacia el lado del agua será la misma mientras dure la prueba que se esté
1
realizando. Los gases de combustión se producirán al quemar la biomasa sólida (leña) en el horno y
luego fluirán por el interior de los tubos.
Los materiales de los que se construirá se tratará que cumplan con normas internacionales como las
ASME para construcción de calderas o las ISO 2245:2006 para materiales refractarios.
También el volumen y la presión para la cual se diseñará está de acuerdo a las normas ASME para
calderas y recipientes a presión para calderas miniatura.
Más que todo en este estudio se ha dimensionado la caldera; en la etapa constructiva sería de
corroborar algunos detalles, y luego de construida se comprobaría su funcionamiento.
Los resultados obtenidos en cuanto al diseño de la caldera experimental se observa que son
congruentes con los objetivos propuestos ya que la longitud de los tubos interiores resultó que es
adecuada, 1 m. El volumen de agua que puede contener la caldera es de 13 litros (13 kgs). La
presión de diseño es de 7 kgf/cm2. El flujo de calor para el que se ha calculado es de 20 kW.
Las dimensiones calculadas han sido en base a la utilización de ecuaciones relacionadas con la
teoría que se planteó en un inicio.
La biomasa que se debe utilizar es leña cuyo poder calorífico esté alrededor de 4300 kcal/kg,
aunque se podrían utilizar otras pero variando la alimentación a la caldera para mantener la misma
producción de vapor.
ABSTRACT
This research was conducted in order to design a pilot boiler to produce steam using biomass as
solid fuel (wood from different tree species especially waste testing or agro-industrial activities).
There are already at home power plants producing electricity from agro-industrial residues such as
sugar mills , which also produce sugar, cogenerate to get the remainder of the heat energy from
bagasse , but would have to investigate the ability to leverage other agroindustrial residue . Also, the
use of heat energy from solid biomass in the form of wood is something that has accompanied
mankind since the discovery of fire, but the fact seize food not only for cooking but also as a source
of renewable energy is something that is currently of interest in developed countries for several
years. Because of this it has been thought to take advantage of different graduation work conducted
at the University of El Salvador, specifically the School of Chemical Engineering and Food
Engineering, Faculty of Engineering and Architecture, and other universities, as respect of different
calorific values investigated.
2
What's interesting about this research is that it has been possible to calculate the main parameters of
a boiler that can generate steam pilot from solid biomass as fuel, and on a scale that can be
manipulated if required by design adjustments for subsequent construction. In this experimental boiler
could be analyzed exhausted combustion gases leaving the chimney in order to quantify the
contamination that can occur when using solid biomass fuel.
The furnace that is designed is a tube type heat or smoke tubes meaning that the flue gas flow inside
the tubes that will be contained within the housing. The heat transfer will take place through the
thickness of the tubes from the combustion gases to the water that will be on the outside of the tubes,
but contained in the housing, which will boil to produce steam. The orientation will be vertical on the
grounds that this will facilitate the design and also because the boiler that the opportunity to observe
and take some measurements had was oriented so. Heat transfer will be considered in steady state
means that the amount of heat flow from the combustion gases radially through the thickness of the
tubes to the water side will be the same for the duration of the test being performed. The combustion
gases are produced by burning solid biomass (wood) in the oven and then flow inside the tubes.
The materials to be built will be treated to meet international standards such as ASME Boiler
construction or ISO2245:2006 for refractory materials.
Also the volume and pressure for which it is designed according to ASME Boiler and Pressure Vessel
for miniature boilers.
More than anything in this study has been sized boiler, in the construction stage would corroborate
some details, and then built their operation would be checked.
The results obtained in the design of the experimental boiler are seen to be consistent with the
objectives set and the length of the inner tubes proved to be suitable, 1 m. The volume of water that
can contain the boiler is 13 liters (13kg). The design pressure of 7 kgf/cm2. Heat flow is calculated
which is 20 kW.
The dimensions have been calculated based on the use of related theory that was raised initially
equations.
The biomass to be used is wood calorific power is around 4300 kcal/kg, although others could be
used but varying the power to the boiler to maintain the same steam production.
3
CONTENIDO
RESUMEN ........................................................................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ........................................................................................... 5
ANTECEDENTES. ...............................................................................................................................................12
JUSTIFICACIÓN. .................................................................................................................................................19
OBJETIVOS.........................................................................................................................................................19
OBJETIVO GENERAL. .....................................................................................................................................19
OBJETIVOS ESPECÍFICOS. .............................................................................................................................19
MARCO REFERENCIAL. ......................................................................................................................................20
CONOCIMIENTOS SOBRE EL TEMA. ...............................................................................................................20
TEORÍAS EXISTENTES SOBRE EL TEMA. ...................................................................................................20
RESULTADOS DE INVESTIGACIONES ANTERIORES. ..................................................................................44
DATOS ESTADÍSTICOS. ..............................................................................................................................45
DISEÑO METODOLÓGICO (MATERIAL Y MÉTODO). ............................................................................................47
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. .....................................................................................................................47
ÁREA DE ESTUDIO. ........................................................................................................................................49
POBLACIÓN A ESTUDIAR. ..............................................................................................................................49
ASPECTOS TECNOLÓGICOS A ESTUDIAR. .....................................................................................................49
MUESTRA. ......................................................................................................................................................49
PROCEDIMIENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS. ...............................................................................50
LAS VARIABLES Y SU MEDICIÓN. ...................................................................................................................50
PLAN DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS. ......................................................................................50
LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ......................................................................................................................50
DISEÑO DEL PROCESO DE LA CALDERA DE BIOMASA SÓLIDA A NIVEL EXPERIMENTAL. .............................50
CÁLCULOS. ................................................................................................................................................52
RESUMEN DE LOS PRINCIPALES DATOS PARA DIMENSIONAR LA CALDERA EXPERIMENTAL. .....................75
CONCLUSIONES. ................................................................................................................................................82
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. .......................................................................................................................85
LIBROS. ..........................................................................................................................................................85
TESIS..............................................................................................................................................................85
INTERNET. ......................................................................................................................................................86
DOCUMENTOS. ..............................................................................................................................................87
ANEXOS .............................................................................................................................................................88
Anexo 1. Capacidad instalada y disponible de las centrales generadoras de electricidad de El Salvador al 31 de
diciembre de 2011. ...........................................................................................................................................88
Anexo 2. Plantas a partir de biomasa existentes y en fase de proyecto en España 2011. ........................................89
Anexo 3. Producción de energía primaria a partir de biomasa en Europa. ..............................................................93
Anexo 4. Cuestionario. ......................................................................................................................................98
Anexo 5. Poderes caloríficos de especies forestales. .........................................................................................101
4
INTRODUCCIÓN-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Lo que se investigó fue la posibilidad de diseñar una caldera experimental que produzca vapor a
partir de combustible de biomasa sólida, principalmente de origen agrícola. Este vapor será
producido con el objetivo de poder estudiar posteriormente la posibilidad de producir energía
eléctrica a partir del mismo al accionar alguna turbina acoplada a un generador o también para ser
utilizado en procesos donde se requiera de él en donde la manipulación de calderas de combustibles
fósiles además de ser de mayor costo, utilizan fuentes de energías convencionales con las que no
se cuenta en el país de manera natural.
Se recopiló información de las zonas donde se utiliza actualmente calderas de biomasa como son
organizaciones relacionadas con el cultivo del café, de la caña de azúcar, producción de aceites
para biocombustibles y otras que pudieren estar consumiendo biomasa sólida como combustible en
sus procesos.
El estudio se realizó en el período desde noviembre del 2012 hasta noviembre del 2013.
Las variables que se estudiaron son los poderes caloríficos de diferentes tipos de biomasa sólida
que se han investigado en diferentes épocas en el país para ser utilizados en el diseño de la caldera
a nivel experimental que es el principal objetivo del estudio.
Lo trascendental que puede tener el problema es lo concerniente a generar tecnología propia que
pueda ser utilizada en la producción de energía eléctrica o para procesos industriales de micro,
pequeñas o medianas empresas que podrían tener un combustible al alcance de su mano en el país,
que actualmente es un desecho o subproducto de algún otro proceso industrial o agroindustrial. Pero
en primer lugar se debe diseñar y posteriormente construir la caldera para poder evaluarla si podrá
llenar los requerimientos de los usuarios de las mismas.
De los beneficios que se podría obtener del estudio que se pretende realizar se puede mencionar
que si se llegase a diseñar, construir y caracterizar la caldera experimental, podría servir como un
prototipo para este tipo de equipo que podría utilizarse en regiones en el interior del país donde se
produzca determinado tipo de biomasa sólida y se requiera para algún proceso determinado.
Una caldera de biomasa sólida podría ser comparable a un equipo que utilice energía solar térmica
donde la energía está disponible de mejor manera en algunos puntos o zonas geográficas del país y
cuyo costo del combustible podría ser prácticamente nulo.
Todo lo anterior aunado a que una caldera a nivel experimental puede ser de un gran apoyo para los
estudios de algunas carreras a nivel universitario o a nivel de maestría como ya se ha mencionado.
5
También investigando en diferentes fuentes se ha conocido que en la combustión de diferentes
combustibles ya sean de origen fósil o de biomasa sólida se pueden producir además de los
derivados del carbono, CO2 y CO, también óxidos de nitrógeno, como el NO, el NO 2 y el N2O. Estos
últimos se sabe que pueden dañar la capa de ozono porque reaccionan en el aire, específicamente
con el oxígeno en presencia de la luz solar, para formar O3 pero luego vuelve a reaccionar el óxido
nítrico con el ozono para volver a formar O2. Pero también se ha investigado que la presencia de
óxidos de nitrógeno en la atmósfera es debida tanto a causas naturales como antropogénicas
(debidas a la actividad humana). Aunque las emisiones producidas por causas naturales (88.7 %),
superan a las debidas a fuentes antropogénicas (11.3 %), no se puede decir que no tengan
importancia, puesto que estas últimas se concentran en zonas muy reducidas del espacio, mientras
que las naturales se distribuyen por todo el mundo, por lo que las emisiones artificiales entrañan un
mayor peligro.
Casi todo el N2O atmosférico (43 % del total de los óxidos de nitrógeno) procede de fuentes
naturales. La causa más importante es la descomposición bacteriana de compuestos nitrogenados.
Este proceso se ha incrementado por la utilización masiva de abonos amoniacales. La acción
bacteriana y los rayos ultravioletas son las principales fuentes naturales del NO y del NO 2, mientras
que la combustión de combustibles fósiles, procesos industriales, explosiones nucleares,
lanzamientos de cohetes, aviación supersónica, etc., son las principales fuentes antropogénicas.
El aire está formado por un 78 % mol de nitrógeno y un 21 % mol de oxígeno. A temperatura
ambiente estos dos gases no reaccionan entre sí, debido a que la reacción es extremadamente
endotérmica (necesita mucha energía para que tenga lugar). Pero a las temperaturas alcanzadas en
una combustión, por encima de los 1000 °C, se genera la suficiente energía para que se dé la
reacción:
N2(g) + O2(g)
2 NO(g)
Los gases de los tubos de escape de los automóviles contienen cantidades pequeñas pero
significativas de NO, debidas al proceso anteriormente descrito, y al enfriarse reacciona con más
oxígeno para dar el dióxido de nitrógeno:
2 NO(g) + O2(g)
2NO2(g)
Y este gas (el NO2) es el principal causante de la polución atmosférica en las zonas urbanas (smog).
Aquí es donde se puede mencionar que los combustibles de origen fósil producen una temperatura
de llama superior a la que produce la biomasa sólida, arriba de 2000 °C, mientras que en esta
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última, a lo sumo se pueden alcanzar los 1500 °C. Para la producción de energía, una temperatura
alta en la combustión es deseable pero el problema es que cuanto mayor es la temperatura de la
llama, más reacciona el N2 con el O2 que componen el aire produciendo NO según se puede ver en
la tabla 5, y posterior formación de NO2. O sea que los NOx no solo se forman por el contenido de
nitrógeno que puedan contener los combustibles sean fósiles o de biomasa sólida, sino que también
por la reacción de los componentes del aire, N2 y O2 a elevadas temperaturas. Este planteamiento
puede justificar el hecho de utilizar biomasa sólida para producir energía, tanto térmica como para su
posterior conversión a energía eléctrica, si se parte del hecho que países como El Salvador tienen
altos consumos de combustibles fósiles como se puede observar en las figuras 1, 2, 3 y 4 y la tabla
1.
Figura 1. Promedio histórico del suministro de energía primaria en El Salvador, 1993-2008.
Fuente: Consejo Nacional de Energía, (CNE).
De la tabla 1 se puede observar que la factura petrolera es alta y las fluctuaciones de un año a otro
se deben más que todo por los precios también fluctuantes, pero se podría utilizar un valor
aproximado promedio de unos $ 4.00 por galón por lo menos para las gasolinas y el diesel para
poder estimar el consumo de cada tipo de combustible en volumen. Pero sabiendo que el consumo
de combustibles fósiles irá en aumento no solamente a nivel nacional sino que también mundial, la
contaminación también irá en aumento. De esto se puede decir que tratar de sustituir en alguna
medida algún porcentaje de combustibles fósiles para la producción de energía eléctrica por fuentes
de energías renovables contribuiría a disminuir un poco la tendencia de la contaminación del aire
ambiente por NOx y gases de efecto de invernadero, como el CO2.
7
Figura 2. Histórico de disponibilidad de energía primaria (Ktep).
Fuente: Consejo Nacional de Energía, (CNE).
Al reducir un poco la dependencia del petróleo en cuanto a la factura petrolera por la producción con
energía de fuentes renovables y entre estas la biomasa, se estaría ahorrando fondos que podrían
ser invertidos en otros rubros para el desarrollo del país.
Figura 3. Suministro de energía secundaria en El Salvador.
Fuente: Consejo Nacional de Energía, (CNE).
8
Figura 4. Generación bruta de electricidad por recurso (GWh).
Fuente: Consejo Nacional de Energía, (CNE).
Tabla 1. Factura petrolera en El Salvador (en millones de dólares).
Producto
2007
2008
2009
Petróleo
$ 447.60 $ 581.89 $ 364.48
Gasolina regular
$ 156.70 $ 164.33 $ 121.44
Gasolina especial $
91.20 $ 100.45 $
82.16
Diesel
$ 281.90 $ 411.37 $ 238.89
Gas licuado
$ 143.70 $ 177.17 $ 119.30
Fuel oil
$
96.80 $ 142.99 $
75.16
Jet/kero
$
33.40 $
63.04 $
31.71
Otros
$
6.10 $
2.61 $
5.44
Total
$ 1,257.40 $ 1,643.86 $ 1,038.57
Fuente: Consejo Nacional de Energía, (CNE).
Luego que se ha planteado la dependencia del petróleo de El Salvador y la contaminación que se da
en la combustión de combustibles fósiles y de biomasa, se puede mencionar la importancia que
9
puede tener el diseño y la posterior construcción o modelación de la caldera miniatura experimental
para efectuar mediciones de eficiencias, rendimientos o niveles de contaminación de los gases de
combustión.
Las calderas de biomasa no son nada nuevo, se han empleado desde hace varios años en el
exterior o en nuestro país, pero lo que se plantea acá es el hecho de poder disponer de una caldera
que se pueda manipular manualmente, tanto su alimentación de combustible de biomasa como el
bombeo de agua, a similitud de la caldera de CENTA que sirvió en parte de base para el diseño de
dicha caldera experimental o piloto.
A continuación se presentan algunas imágenes de calderas de marca y que son de tubos de fuego o
de humo, para poder observar lo modernas que pueden ser, pero lo que interesa en nuestro caso es
que el principio de intercambio de calor y producción de vapor es similar (ver figuras 5, 6 y 7).
Figura 5. Caldera de tubo de humo vertical. 10- 80 hp, VIX series. Marca Hurst Boiler.
Fuente: Hurst Boiler, 2013.
10
Figura 6. Caldera de biomasa: hogar volcán. 3450 - 60000 lb/h. 100 – 400 Psi. Hybrid UF. Marca
Hurst Boiler.
Fuente: Hurst Boiler, 2013.
Figura 7. Caldera de bajo NOx. 1000-2500 hp, máx. 450 Psi. Marca Hurst Boiler.
Fuente: Hurst Boiler, 2013.
11
Debido a que estas calderas fueron investigadas por internet, no tienen disponible el precio pero se
puede deducir que puede ser alto dependiendo de su modelo o de su capacidad de producir vapor.
Esto se puede decir porque algunas empresas que se dedican a la venta de equipos de laboratorio a
nivel experimental o laboratorio los ofrecen a precios de varios miles o decenas de miles de dólares
(equipos para Ingeniería Química o para Ingeniería de Alimentos), por lo que una caldera miniatura
que solamente tendrá lo básico para poder estudiar su mecanismo de transferencia de calor para
producir vapor su costo debe de ser mucho menor.
El problema de la investigación se puede resumir en la siguiente pregunta: ¿Es factible el diseño de
una caldera a nivel experimental con los conocimientos actuales en la Universidad de El Salvador en
el período 2012 - 2013?
ANTECEDENTES.
La dependencia del petróleo en países como el nuestro plantea la necesidad de investigar en
fuentes de energías renovables. Actualmente en otros países se están desarrollando proyectos
relacionados con este tipo de energías, pero en El Salvador no hay mucho conocimiento o utilización
todavía.
Se tiene conocimiento que de las fuentes de energías renovables que se utilizan actualmente en el
país, la biomasa y específicamente el bagazo de caña utilizado como combustible para las calderas
de los ingenios azucareros, es la que ha tenido cierto desarrollo en los últimos años.
Debido a eso se considera que el hecho de diseñar y la posibilidad de construir una caldera para
biomasa sólida a nivel experimental para estudiar los parámetros que rigen los procesos de
combustión y de transferencia de calor podría ser de mucha utilidad como un instrumento de
enseñanza aprendizaje en nuestra Universidad y específicamente en la Escuela de Ingeniería
Química e Ingeniería de Alimentos de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura; así mismo para la
utilización en la Maestría en Energías Renovables y Medio Ambiente. Se considera llevar a cabo
este proyecto a nivel experimental por los costos económicos que esto pueda requerir y por la
posibilidad de efectuar algún ajuste que se pueda necesitar.
Revisando trabajos realizados hasta la fecha relacionados con el tema, se tiene que a nivel de
pregrado se han hecho algunas investigaciones en la Escuela de Ingeniería Química e Ingeniería de
Alimentos de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de El Salvador.
12
Existen estudios relacionados con el tema como el finalizado en octubre de 1983 denominado
“Alternativas de procesamiento en el desarrollo de agroindustrias en El Salvador” en el que se hace
una recopilación del potencial de utilización de los productos y subproductos resultantes de la
práctica de cultivos como el café y la caña de azúcar, finalizándose con una exposición de las rutas
de elaboración de los productos derivados más importantes que son posibles de obtener. En este
estudio lo relacionado con el proyecto de la tesis de la maestría es donde se mencionan los usos
combustibles del bagazo de la caña de azúcar mencionando que la combustión directa ha sido al
presente la más utilizada para producir vapor o electricidad; al emplear el bagazo húmedo (45 %) se
aprovechan como máximo 4560 BTU por libra de bagazo, lo cual representa el 62.5 % de la energía
que se podría obtener si el bagazo estuviese seco (con un 12 % de humedad). El método
termoquímico más desarrollado es la pirólisis, el cual consiste en reducir la materia orgánica (por
medio de la aplicación de calor en un ambiente libre de oxígeno) en los siguientes productos: carbón
vegetal, aceites combustibles y gases, todos con un considerable contenido de energía. El
rendimiento energético de este proceso es de 3112.5 BTU por libra de bagazo alimentado, que es
menor que el obtenido por combustión directa en los ingenios que es de 4563.5 BTU/lb, pero se
hace notar que los productos pirolíticos son más versátiles en cuanto al consumo, son más fáciles de
transportar y almacenar ya que no están sujetos a deterioro por fermentaciones (Serrano, 1983).
Tabla 2. Poder calorífico de algunos combustibles.
Combustible
Calor de combustión (kcal/kg)
Carbón común (lignita)
6700
Petróleo
10000
Bagazo húmedo (45 % de agua)
2530
Bagazo seco al aire (12 % de agua)
4050
Gasolina
11000
Etanol
6400
Metanol
4700
Madera
2524
Carbón vegetal
6798
Fuente: Serrano, J., 1983.
Otro dato importante que se menciona en este trabajo de graduación es una tabla con los poderes
caloríficos de algunos combustibles entre ellos el bagazo de caña húmedo y seco que se muestra a
continuación (ver tabla 2).
13
En un trabajo de graduación realizado en 1985 para obtener el título de Ingeniero Mecánico de la
“Universidad Centroamericana José Simeón Cañas”, (UCA), titulado “Determinación del poder
calorífico de algunos tipos de leña usada en El Salvador“ se realizaron mediciones de los poderes
caloríficos de leña que se usa en El Salvador. Los resultados que se obtuvieron se presentan en la
tabla 3.
Tabla 3. Poder calorífico de algunos tipos de leña usada en El Salvador.
Especie
Estrato
Densidad % S en muestra
(gr/cm3)
Casuarina
tronco
0.81576
0.496544
rama
0.78567
0.305680
Madre cacao albura
0.60166
0.578592
duramen
0.54633
0.593561
rama
0.44147
0.381910
Copinol
albura
0.74468
0.596703
duramen
0.72323
0.405312
rama
0.61852
0.560188
Pepeto
Tronco
0.52306
0.423514
rama
0.44732
0.754463
Leucaena
albura
0.57316
0.483613
duramen
0.32704
0.527242
rama
0.37571
0.716251
Chaperno
tronco
0.81780
0.519561
rama
0.70000
0.636457
Mangle
tronco
1.05484
0.432225
rama
0.88395
0.607419
Carbón
Albura
0.73353
0.654723
Duramen
0.87055
0.974239
rama
0.57863
0.790187
Fuente: Campos Marcia, J.; Paz Manzano, J., 1985.
Poder calorífico Poder
calorífico
(BTU/lbm)
promedio (kcal/kg)
7728.083
4282
7616.701
7851.960
4332
7733.118
7718.754
7655.696
4220
7838.251
7501.807
8703.723
4466
7718.385
7493.043
4188
7678.915
7610.892
7619.242
4177
7461.366
7451.163
4126
7329.193
7770.944
4299
7973.548
7635.633
La albura es la parte joven de la madera, corresponde a los últimos anillos de crecimientos del árbol,
producidos por el cámbium vascular en el tallo de una planta, que corresponde al único xilema
funcional. La albura suele ser de un color más claro. Es la parte del leño del árbol, que se encuentra
por debajo de la corteza, que incluye los anillos de crecimiento más recientes. Es más clara, menos
densa, más permeable y contiene más humedad que el duramen (ver figuras 8 y 9).
(http://www.asturtalla.com/Curso_de_talla_02.htm).
14
Figura 8. Partes de un tronco de árbol.
Fuente: http://www.asturtalla.com/Curso_de_talla_02.htm
Figura 9. Partes de un tronco de árbol.
Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Taxus_wood.jpg
15
El duramen es la madera que se encuentra ocupando prácticamente toda la porción central del
tronco y ramas de un árbol. El duramen está compuesto por células biológicamente muertas cuya
única función es proporcionar al tronco del árbol una estructura interna fuerte y resistente con la cual
poder sostener todo el peso de las ramas y la copa en general (ver figuras 8 y 9).
El duramen está rodeado por la delgada albura, y por lo general es de color más oscuro o de otro
color totalmente distinto al de la albura. Por estar saturado de ciertas sustancias preservantes que el
mismo árbol produce, el duramen también es mucho más duro, pesado y resistente que la albura, y
más resistente al ataque de hongos e insectos. Popularmente al duramen se le conoce como el
"corazón" de la madera. (http://www.elmundoforestal.com/terminologia/duramen.html).
Otro de estos estudios fue realizado en 1997 y trata sobre la evaluación del potencial energético de
residuos agrícolas vegetales en El Salvador provenientes de la caña de azúcar y del maíz. En este
estudio se efectuaron pruebas calorimétricas de los residuos, contenido de fibra cruda, celulosa y
lignina para evaluar el poder calorífico neto, y las pruebas de densificación para determinar el
volumen que ocupan estos residuos bajo condiciones controladas de presión. De los resultados
obtenidos en este estudio se mencionan el valor del poder calorífico neto de los rastrojos del cultivo
de la caña de azúcar que varía entre 3632.13 y 3771.23 kcal/kg y de los rastrojos del cultivo del maíz
entre 3645.92 y 3795.86 kcal/kg para la tuza, entre 3783.30 y 3920.53 kcal/kg para el olote, entre
3640.22 y 3914.55 kcal/kg para la hoja caña, y entre 3646.29 y 3796.08 kcal/kg para las muestras de
planta completa. Los resultados de las pruebas de densificación variaron de 38 a 96 kg/m 3 para
densidad inicial (sin aplicarle presión) y de 88 a 211 kg/m 3 para densidad después de aplicar
compresión hasta volumen constante, esto con respecto a la caña de azúcar. Relacionado con los
rastrojos de maíz las pruebas de densificación por compresión hasta volumen constante variaron
entre 79.2 y 127.6 kg/m3 para la tuza, entre 153.6 y 190 kg/m3 para el olote, entre 54.5 y 99.9 kg/m3
para la caña /hoja, y entre 118.9 y 137.3 kg/m3 para las muestras de planta completa (Berríos y
Castro Fuentes, 1997). El objetivo de las pruebas de densificación es para su posterior uso como
briquetas según se menciona en las conclusiones.
Otro estudio relacionado con el tema de la tesis se finalizó en agosto del 2000, y lleva por título:
“Evaluación del potencial energético de residuos agrícolas y del procesamiento de arroz (Oriza
sativa), frijol (Phaseolus vulgaris) y sorgo (Sorghum vulgaris), en El Salvador.
En este estudio se caracterizaron los residuos de las cosechas de los cultivos de arroz, frijol y sorgo
(maicillo) en El Salvador, con el fin de determinar su potencial energético. Para la realización de los
16
diferentes análisis se homogenizaron todas las muestras tomadas de cada cultivo por separado, y
posteriormente se sometieron a los análisis físicos, químicos y fisicoquímicos. Para los rastrojos de
arroz se determinó que su densidad de masa aireada fue de 0.083 g/cm 3 a 7.57 % de humedad, al
someterlos a una compresión de 300 a 4000 kgf su volumen se redujo de 83.0 a 96.6 %, para una
densidad compactada de 0.0502 y 0.248 g/cm3 respectivamente. Para los rastrojos de frijol a 3.45 %
de humedad, su densidad de masa aireada fue de 0.083 g/cm 3; al someterlos a una compresión de
300 a 3500 kgf presentó una reducción de volumen de 91.0 a 96.8 %, para una densidad
compactada de 0.0883 y 0.2613 g/cm3 respectivamente. En el caso de los rastrojos de sorgo, su
densidad de masa aireada corresponde a 0.0083 g/cm3 para 6.06 % de humedad y al someterlos a
una compresión de 300 a 8000 kgf se redujo su volumen de 52.3 a 72.7 % para una densidad de
masa compactada de 0.0177 y 0.0305 g/cm3 respectivamente (Domínguez Araujo, Henríquez Pérez
y Parras Centeno, 2000).
Se cuantificaron las cantidades de rastrojo generados, obteniéndose para el arroz un promedio de
151276.82 Ton en el período 1994-2001; para el frijol en ese mismo período se obtuvieron 64572.28
Ton; mientras que para el sorgo en esos años se tiene un promedio de rastrojos generados de
176301.16 Ton, Domínguez Araujo et al. (2000).
Se determinó el poder calorífico superior, variando para los rastrojos de arroz entre 1682.9 y 3951.5
kcal/kg a 7.57 % de humedad (2817.2 kcal/kg de promedio); en el caso del frijol va de 3998.1 a
4247.5 kcal/kg a 3.45 % de humedad (4122.8 kcal/kg de promedio); y para el sorgo de 3392.7 a
4776.1 kcal/kg a 6.06 % de humedad (4084.4 kcal/kg de promedio), Domínguez Araujo et al. (2000).
También se presenta una tabla con los poderes caloríficos de residuos agrícolas y agroindustriales
de cultivos tradicionales en El Salvador (ver tabla 4).
Tabla 4. Poder calorífico de algunos residuos agrícolas y agroindustriales de cultivos tradicionales en
El Salvador.
Residuo vegetal
Poder calorífico (kcal/kg) Porcentaje de humedad
Maíz
3721.57
10.67
Caña de azúcar
3668.58
12.25
Arroz
2817.20
7.57
Frijol
4122.80
3.45
Sorgo
4084.40
6.06
Bagazo de caña
4050.00
12.00
Cascarilla de café
4200.00
Leña
4106-4562
Fuente: Domínguez Araujo et al. (2000).
17
Datos importantes para las correcciones calorimétricas es el % de nitrógeno y azufre y según tablas
de la composición química de los rastrojos de arroz, frijol y sorgo el porcentaje de nitrógeno es de
0.60, 0.98 y 0.50 respectivamente; observándose que no contienen azufre.
En otro trabajo de graduación de la EIQIA con fecha octubre de 2010 con título “Evaluación del
potencial energético de desechos sólidos de granjas de engorde avícolas en El Salvador” cuya
finalidad principal es la determinación del poder calorífico superior de la pollinaza de granjas de
engorde avícola en El Salvador, con el objetivo de determinar el potencial energético disponible de
este recurso se menciona que con base a las sub muestras extraídas, se conformaron 7 muestras
compuestas, a las cuales se les realizaron análisis físicos, químicos y fisicoquímicos, obteniéndose
un poder calorífico superior que varía entre los 13.08 y los 18.62 GJ/TM, con una media muestral de
16.21 GJ/TM (3873.36 kJ/kg). Se estimó que en El Salvador la generación anual de pollinaza
alcanza las 53,294 TM/año. Para este volumen de desecho corresponde un potencial energético de
863,687 GJ/año, es decir 239,906 MWh/año. El potencial energético de la pollinaza generada en El
Salvador, dentro del mercado de compra-venta de certificados de reducción de emisiones,
corresponde a 146,103 tCO2e. Con base al precio de bonos de carbono para agosto de 2010, se
obtendría por el proyecto un ingreso de USD$ 2,049,642 anuales. Se menciona también en esta
investigación que el potencial técnico para la generación de energía eléctrica a partir de biomasa
cuenta con empresas y profesionales a nivel nacional con buena experiencia para diseñar y ejecutar
proyectos con estos recursos. Los Ingenios Central Izalco, El Ángel y La Cabaña han llevado a cabo
en los últimos años proyectos de cogeneración de energía eléctrica a partir de bagazo de caña
(Ortez Sandoval y Zelada Quan, 2010). El dato principal es lo referente a los residuos generados en
las granjas de engorde avícolas, siendo el más importante por su cantidad y características, la
pollinaza. Entendida, como la mezcla entre cama y las excretas de los pollos. El material de cama,
varía dependiendo de la disponibilidad, entre granza de arroz, cascarilla de café y ocasionalmente
viruta de madera. También se mencionan otras alternativas que se pueden utilizar como material de
la cama, dependiendo de la disponibilidad en cada país, como son: aserrín, paja picada (de trigo o
de avena), papel, cascarilla de maní, desperdicio de caña y otros. Todos estos materiales se puede
deducir que poseen sus respectivos poderes caloríficos que pueden ser útiles para producir vapor en
una caldera de biomasa.
18
JUSTIFICACIÓN.
El estudio se justifica en el sentido que la biomasa sólida puede ser uno de los recursos con que se
cuenta actualmente en el país, que es renovable si se utilizan los residuos de cultivos que año con
año son generados en la fase agrícola o en la fase industrial, como es el caso del bagazo de caña, la
leña producida de las podas de cafetales tanto del cafeto en sí como de los árboles de sombra, los
rastrojos de cultivos de cereales, la gallinaza de las granjas y otros que pueden ser investigados.
También se puede justificar en el sentido que este estudio se orienta a generar tecnología propia
que utilice poco presupuesto optimizando recursos económicos y naturales que pueden estar a
nuestro alcance.
También porque un equipo de esta naturaleza puede ser de mucha utilidad para el desarrollo de las
prácticas de algunas asignaturas que se imparten en el pensum de las carreras de Ingeniería
Química e Ingeniería de Alimentos o para la misma maestría en energías renovables y medio
ambiente.
OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL.
Diseñar una caldera experimental para biomasa sólida.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
1. Realizar una investigación sobre los tipos de calderas de biomasa sólida que se utilizan en el
país actualmente e identificar las calderas de este tipo que están en operación.
2. Seleccionar calderas de biomasa para fines de evaluación, en alguna de ellas, sobre las
condiciones de diseño (según tipo) y operación considerando los parámetros de temperatura,
presión, flujo másico de combustible y vapor producido, y otros que sean necesarios.
3. Seleccionar los parámetros de diseño en cuanto a tipo de materiales y accesorios que serán
necesarios considerar para el diseño y la construcción a futuro de la caldera experimental.
4. Establecer el arreglo y las dimensiones de los tubos interiores de la caldera, proponiendo la
orientación adecuada de la misma.
5. Medir el poder calorífico de algunas especies forestales que no hayan sido caracterizadas.
6. Calcular: el flujo másico necesario de gases de combustión para la producción de vapor de
agua; la cantidad de biomasa sólida por unidad de tiempo necesaria para suplir los
19
requerimientos de calor para evaporar el agua; la altura necesaria de la chimenea para eliminar
adecuadamente los gases de combustión.
7. Dimensionar el horno donde se quemará la biomasa sólida.
MARCO REFERENCIAL.
CONOCIMIENTOS SOBRE EL TEMA.
TEORÍAS EXISTENTES SOBRE EL TEMA.
En este punto las teorías que se utilizaron son las referidas a la combustión de biomasa sólida,
sobre transferencia de calor y sobre diseño y construcción de calderas en general y en particular las
referidas a biomasa sólida. También se utilizó alguna teoría sobre la biomasa en sí.
BIOMASA.
La Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), utiliza la definición de la
Especificación Técnica Europea CEN/TS 14588 para catalogar la “biomasa” como “todo material de
origen biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo
un proceso de mineralización”. Entre estos últimos estarían el carbón, el petróleo y el gas, cuya
formación y composición hace miles de años no es comparable con lo que llamamos “el balance
neutro de la biomasa” en las emisiones de dióxido de carbono (CO2). La combustión de biomasa no
contribuye al aumento del efecto invernadero porque el carbono que se libera forma parte de la
atmósfera actual (es el que absorben y liberan continuamente las plantas durante su crecimiento) y
no del subsuelo, capturado en épocas remotas, precisamente como el gas o el petróleo.
La energía que contiene la biomasa es energía solar almacenada a través de la fotosíntesis, proceso
por el cual algunos organismos vivos, como las plantas, utilizan la energía solar para convertir los
compuestos inorgánicos que asimilan (como el CO2) en compuestos orgánicos (IDAE, 2007).
Se conoce como biomasa, según la definición dada por el IDAE, al “conjunto de materia orgánica, de
origen vegetal o animal y los materiales que proceden de su transformación natural o artificial”. La
principal ventaja que presenta la biomasa frente a los combustibles fósiles es su balance nulo de
emisiones de CO2 en la combustión. Esto se debe a que se considera que el CO 2 emitido durante la
combustión es el mismo que ha sido, previamente, fijado por las plantas de los cultivos mediante la
fotosíntesis. Además, la ventaja frente a otras fuentes de energía renovables es la posibilidad de
almacenar el combustible (la biomasa) (Hernández, 2011).
20
El uso de la biomasa como recurso energético, en lugar de los combustibles fósiles comúnmente
utilizados, supone unas ventajas medioambientales de primer orden, como son:
-
Disminución de las emisiones de azufre.
-
Disminución de las emisiones de partículas.
-
Emisiones reducidas de contaminantes como CO, HC y NOX.
-
Ciclo neutro de CO2, sin contribución al efecto invernadero.
-
Reducción del mantenimiento y de los peligros derivados del escape de gases tóxicos y
combustibles en las casas.
-
Reducción de riesgos de incendios forestales y de plagas de insectos.
-
Aprovechamiento de residuos agrícolas, evitando su quema en el terreno.
-
Posibilidad de utilización de tierras de barbecho (tierras en reposo) con cultivos energéticos.
-
Independencia de las fluctuaciones de los precios de los combustibles provenientes del exterior
(no son combustibles importados).
-
Mejora socioeconómica de las áreas rurales.
Estas ventajas convierten a la biomasa en una de las fuentes potenciales de empleo en el futuro,
siendo un elemento de gran importancia para el equilibrio territorial, en especial en las zonas rurales
(IDAE, 2007).
Un dato, que habla por sí sólo, del interés social y económico que posee la bioenergía, es que
genera 135 nuevos empleos sostenibles por cada 10000 habitantes, frente a los 9 empleos que
genera el uso de combustibles fósiles (según FAO y la Asociación Austriaca de Bioenergía). De
todas las energías renovables, la biomasa es con diferencia la que mayor potencial de creación de
empleo tiene. Según los expertos, el tratamiento y mantenimiento de la biomasa para obtener
energía renovable genera 60 veces más empleos que el sector del gas, 30 veces más que el del
carbón y 10 veces más que el nuclear y además de forma competitiva por el menor coste de la
biomasa sobre los combustibles fósiles (CONAMA, 2012).
CONVERSIÓN TÉRMICA DE BIOMASA SÓLIDA (Klass, 1998).
COMBUSTION.
I. INTRODUCCIÓN.
El simple acto de quema de biomasa para obtener el calor, la luz y, a menudo, es uno de los
procesos de conversión de biomasa más antiguos conocidos por la humanidad. La ecuación
21
estequiométrica básica para la combustión de madera, representado por la fórmula empírica de
celulosa, (C6H10O5)n, se ilustra por:
(C6H10O5)n + 6nO2
6nCO2 + 5nH2O
El dióxido de carbono (CO2) y el agua son los productos finales, junto con la energía. Si la mayoría
de la biomasa no sostuviera su propia combustión para producir calor disponible en la época
preindustrial, cuando y donde se necesitare, nuestro desarrollo histórico no habría llegado a su
estado actual, y probablemente habría tomado otro rumbo. Hasta la década de 1900, gran parte de
la sociedad industrializada ha utilizado combustión de biomasa y algunos procesos térmicos
relacionados para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la producción de carbón de
calefacción, cocina, químicos y producción de carbón vegetal, y la generación de vapor y energía
mecánica y eléctrica.
La ciencia de la combustión ha avanzado mucho desde entonces y ha mejorado nuestra
comprensión de los mecanismos químicos implicados. La mejora de los procesos de combustión
están disponibles para la conversión de la biomasa virgen y complejas materias primas de biomasa
de desecho, en calor, vapor de agua, y la energía eléctrica en sistemas avanzados de combustión y
en los sistemas de co-combustión suministrados tanto con la biomasa y con combustibles fósiles.
Estufas catalíticas de pequeña escala se han desarrollado que funcionen con mayor eficiencia
térmica global con bajas emisiones. Incineradores a mediana y gran escala han sido diseñados con
la capacidad de recuperación de calor para una combustión eficiente y eliminación de residuos
sólidos urbanos (RSU), con un mínimo de emisiones. Los sistemas de calderas modernas están
disponibles para la madera, los residuos sólidos urbanos, el combustible derivado de residuos (RDF
o la fracción combustible de los RSU) y otros combustibles de biomasa para uso municipal y de
servicios públicos. La tecnología ha avanzado mucho más allá de la idea básica de usar sólo la
biomasa como un combustible sólido.
Es de destacar que de todos los procesos que se pueden utilizar para convertir la biomasa en
energía o combustibles, la combustión sigue siendo la tecnología dominante. Más del 95% de toda la
energía de la biomasa utilizada hoy se obtiene por combustión directa.
En esta sección de la referencia consultada se examinan la química básica de la combustión directa
de biomasa, los avances que han hecho posible mejorar la eficiencia operativa y el desempeño
ambiental y sistemas de tecnología de última generación que han sido o se espera que sean
22
comercializadas. También se discuten las mejoras necesarias para superar algunos de los
problemas de funcionamiento y los avances que se esperan de la investigación en curso.
II. FUNDAMENTOS.
A. DEFINICIÓN .
La combustión completa (incineración, fuego directo, ardor) de la biomasa consiste en la reacción
química rápida (oxidación) de la biomasa y el oxígeno, la liberación de energía, y la formación
simultánea de los productos de oxidación últimos de la materia orgánica, CO2 y agua. La energía
química se libera, por lo general en forma de energía radiante y energía térmica, la cantidad de la
cual es una función de la entalpía de combustión de la biomasa. En el caso ideal, cantidades
estequiométricas de biomasa y de oxígeno están presentes y reaccionan de manera que se produce
la combustión perfecta, es decir, cada reactivo se consume totalmente y sólo CO2 y el agua se
forman. En condiciones normales, dicha combustión no se produce con más del carbono que
contienen los combustibles sólidos, incluida la biomasa.
Cuando la biomasa se quema en condiciones normales, una llama se produce como la radiación
visible, a condición que la oxidación se produzca a una velocidad suficiente. Mediante el uso de los
datos termodinámicos, la temperatura teórica se puede calcular de los productos de la combustión
formados, en virtud de las condiciones adiabáticas reversibles. La temperatura teórica de llama de la
combustión de la madera de diferentes contenidos de humedad con el exceso de aire se muestra en
la figura 10. La madera verde generalmente contiene aproximadamente 50 % de humedad en peso
en el campo, y el exceso de aire se utiliza para promover la combustión completa. Es evidente a
partir de la figura 10 que altos niveles de humedad del combustible y el exceso de aire reducen
significativamente la temperatura teórica de llama. También es evidente que para lograr la
temperatura máxima de la llama, se requieren combustible seco y pequeñas cantidades de exceso
de aire. En la práctica real, sin embargo, la combustión no es adiabática y las reacciones que se
producen son irreversibles, por lo que la temperatura real de la llama es menor que el valor teórico.
B. FASES DEL PROCESO.
Una cantidad muy elevada de la investigación básica se ha llevado a cabo en la combustión de
combustibles sólidos, incluyendo fósiles, la biomasa y los combustibles sólidos inorgánicos, a fin de
conocer los mecanismos y la cinética del proceso. Cada categoría de combustible entra en
combustión en condiciones diferentes que están determinadas por una variedad de propiedades
23
físicas de los sólidos y los factores ambientales externos y química. Una visión empírica de la
combustión de biomasa implica la evaporación de los compuestos volátiles de alta energía, tales
como los terpenos, que se queman en la fase de gas con combustión con llama. Los materiales
lignocelulósicos en la biomasa sólida, bajo la influencia de la alta temperatura o una fuente de
energía suficientemente fuerte, se descomponen para formar productos de pirólisis, que también se
queman en la fase de gas con combustión con llama. El carbón residual se quema en una menor
tasa de oxidación de la superficie o de combustión que brilla intensamente. Los materiales
celulósicos se convierten principalmente a compuestos volátiles combustibles y no combustibles,
incluyendo el agua y el CO2, mientras que las ligninas contribuyen principalmente a la fracción de
carbón.
Figura 10. Temperatura teórica de llama de la combustión de la madera de diferentes contenidos de
humedad con el exceso de aire.
Fuente: Klass, 1998.
La temperatura dentro de la llama es una función del tiempo de reacción, la intensidad de
combustión, velocidad de la llama, y la energía transferida a los alrededores. Las temperaturas de
llama medidos en la combustión de acetileno, la gasolina, el hidrógeno, y el gas natural en aire bajo
condiciones controladas son 2319, 2310, 2045, y 1880 °C, respectivamente. La combustión de la
24
biomasa no alcanza estos niveles de temperatura debido a la menor densidad de energía de la
biomasa y el mecanismo de combustión de la misma.
El mecanismo implicado en la combustión de la biomasa sólida se puede ver como un proceso por
etapas, aunque todos los pasos ocurren simultáneamente en la cámara de combustión. En primer
lugar, se seca por el aumento de la temperatura la biomasa entrante, fresca. La humedad contenida
físicamente en la biomasa se vaporiza. En alrededor de 150 a 200 °C, la descomposición térmica y
la volatilización de la biomasa sólida a continuación, comienza en la superficie de la biomasa y
compuestos orgánicos volátiles evolucionan como un gas, que se quema en la cámara de
combustión. Se debe tener en cuenta que algunas de las importantes investigaciones sobre los
mecanismos y la cinética de desgasificación de la pirólisis de biomasa también son aplicables a la
combustión de la misma. Los componentes de combustible que queda en el residuo carbonoso se
queman por la difusión de oxígeno al sólido superficial a temperaturas de aproximadamente 400 a
800 °C y mayor. Este rango de temperatura se consigue mediante la absorción de la energía
radiante procedente de los productos de combustión calientes y las superficies de la cámara de
combustión. Temperaturas tan altas como 1500 °C se han registrado cuando el combustible fresco
entrante es seco y el proceso de combustión se controla cuidadosamente. El uso de aire
precalentado permite temperaturas similares en algunos sistemas, incluso con la biomasa que
contiene un poco de humedad.
C. EMISIONES .
Durante la combustión, el carbono y el hidrógeno unidos químicamente en los diversos componentes
orgánicos de biomasa se oxidan. La combustión incompleta puede resultar de las emisiones
excesivas de partículas y derivados parcialmente oxidados, algunos de los cuales son tóxicos.
Nitrógeno y azufre unidos químicamente que pueden estar presentes en la biomasa son oxidados
para formar óxidos de nitrógeno y azufre, sobre todo dióxido de azufre, SO2, también algunos
trióxido de azufre, SO3 y sobre todo de óxido nítrico, NO, también algo de dióxido de nitrógeno, NO 2.
El aire es la fuente habitual del oxidante oxígeno, para la combustión de biomasa. Pequeñas
cantidades de nitrógeno en el aire son también convertidos a los óxidos de nitrógeno a temperaturas
de combustión según las reacciones:
N2 + O2
2NO + O2
2NO
2NO2
25
A altas temperaturas el nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2) moleculares pueden combinarse para formar
óxido nítrico; por ello las actividades humanas han incrementado en gran medida la presencia de
este gas en la atmósfera.
Este gas en el aire puede convertirse, más tarde, en ácido nítrico produciendo así lluvia ácida.
Además el NO y el NO2 son en parte responsables del agujero de la capa de ozono.
Su efecto para con la radiación solar es doble. Mientras en la baja atmósfera contribuyen al
calentamiento global, en la alta lo hacen al oscurecimiento global.
Las concentraciones de equilibrio de NO que se forman a partir de cantidades equimolares de
nitrógeno y oxígeno a diversas temperaturas se muestran en la tabla 5. Es evidente que cuanto
mayor sea la temperatura de combustión, mayor es la concentración de NO.
Las concentraciones de nitrógeno y de azufre unidos químicamente son de cero a muy baja en la
mayoría de las especies de biomasa leñosa, pero algunas biomasas pueden contener cantidades
relativamente grandes de estos elementos. Los elementos tales como cloro, que pueden estar
presentes en concentraciones relativamente altas en la biomasa tales como residuos sólidos
urbanos (MSW o RSU) y combustible derivado de residuos (RDF o la fracción combustible de los
MSW), pero que están presentes en concentraciones muy pequeñas en la biomasa leñosa, se
convierten en compuestos de cloro, como el cloruro de hidrógeno. La mayoría de los derivados del
cloro se considera que son contaminantes.
El monóxido de carbono, gases ácidos, hidrocarburos no quemados, compuestos orgánicos
parcialmente oxidados, derivados aromáticos policíclicos, trazas de óxidos de metales, óxidos de
nitrógeno y de azufre, derivados de cloro, partículas de carbón, y cenizas volátiles se encuentran en
los gases de combustión de los sistemas mal controlados.
Las cantidades de cenizas formadas en la oxidación de los elementos metálicos en la biomasa
pueden estar en los productos de combustión en menor o mayor cantidad, dependiendo de la
composición del combustible de biomasa. Los sistemas de combustión de biomasa deben estar
diseñados para acercarse a la combustión completa bajo condiciones controladas tan estrechamente
como sea posible para extraer el máximo de cantidad de energía térmica, minimizar las emisiones
indeseables, y satisfacer las regulaciones ambientales.
La cantidad estequiométrica de oxígeno es la cantidad mínima necesaria para completar la
combustión del combustible. Una limitada cantidad de exceso de oxígeno es a menudo utilizada con
combustibles sólidos para promover la combustión completa. Puesto que el aire ambiental contiene
26
aproximadamente 79 % mol de nitrógeno y es la fuente habitual de oxígeno bajo condiciones
normales, el nitrógeno es un constituyente principal de los gases de combustión. La temperatura
alcanzada en la cámara de combustión depende de la tasa de liberación de calor, su disipación y
transferencia y la cantidad de gases de combustión. Así que el aumento de la temperatura de
combustión es sustancialmente menor con aire como fuente de oxígeno en comparación con
oxígeno puro a causa de la dilución de los gases de combustión con nitrógeno. Por consiguiente, la
relación de masa de aire a biomasa es un parámetro importante porque afecta a la velocidad de
combustión y a la temperatura final de los gases de combustión. Aire enriquecido con oxígeno y el
uso de combustible en pequeñas partículas o polvos se han empleado para maximizar las
temperaturas de combustión.
Tabla 5. Concentraciones de equilibrio termodinámico de óxido nítrico a partir de cantidades
equimolares de nitrógeno y oxígeno.
Temperatura (°C) Concentración de NO (ppm)
727
43
827
89
927
251
1027
500
1127
1000
1227
1630
1527
5460
Fuente: Klass, 1998.
D. MODELO ESTEQUIOMÉTRICO.
Un modelo teórico de la combustión de biomasa se ilustra por la oxidación completa de algas marrón
gigantes. Es de tener en cuenta que las algas marinas de las que se dispone de datos analíticos
completos, se utiliza aquí simplemente para ilustrar la utilidad del modelo, que es aplicable a todas
las especies de biomasa. Basado en la fórmula empírica derivada del análisis elemental de algas
secas a un peso molecular supuesto de 100, la estequiometría de combustión es:
C2.61H4.63N0.10S0.01O2.23Ceniza26.7 + 2.7625 O2
2.61 CO2 + 0.10 NO2 + 0.01 SO2 + 2.315 H2O +
26.7 ceniza
El contenido de cenizas medido experimentalmente se supone que debe estar presente en la
biomasa original y que se llevará a través del proceso sin cambios. Esto no es estrictamente cierto
ya que el oxígeno se toma químicamente como óxidos metálicos que se forman durante las
27
determinaciones estándar de ceniza. El contenido de cenizas se calcula como la diferencia entre el
peso del residuo tras la calcinación de la muestra y el peso de la muestra original, por lo que no se
corresponde la ceniza formada con los elementos metálicos en la muestra original, seco. Sin
embargo, para los propósitos de ilustrar la estequiometría de la combustión completa, esta ecuación
es adecuada. El calor desprendido por la combustión de esta muestra particular de algas es 12.39
MJ/kg (296.1 kcal/gmol) con producción de agua en estado líquido. Dado que en promedio, el aire es
20.95 % mol de oxígeno, el requerimiento de aire estequiométrico para la combustión completa es
13.19 moles de aire por mol de algas, o una relación de masa de aire a algas de 3.805. La
concentración final de CO2 en los gases de combustión secos es de 19.85 % mol.
Excepto para los procesos de combustión sumergidos que se utilizan para el tratamiento de
biosólidos acuosos disueltos y suspendidos y algunos otros procesos de combustión especial, la
combustión de la biomasa virgen y residuos implica combustibles sólidos.
Datos de combustión estequiométrica para cuatro tipos de biomasa, dos carbones, y un coque se
comparan en la tabla 6. Cada uno de los combustibles de biomasa se asume que contienen 15.0 %
peso de humedad. Los requerimientos de aire estequiométrico son considerablemente menores para
la biomasa que para los carbones y el coque. La razón de esto es que las relaciones de masa de C a
H en la biomasa son mucho menores que las de los combustibles fósiles. Además, la mayor parte de
carbono en la biomasa está, efectivamente, ya parcialmente oxidado. Menos oxígeno se necesita
para la oxidación completa. Para los datos de la tabla 6, se supone que el nitrógeno y el azufre
orgánico en cada combustible sólido se oxidan a NO2 y SO2 y que el nitrógeno en el aire es inerte.
Las cantidades calculadas de NO2 y SO2 formadas en la combustión completa son mayores a las
que podría esperarse para un combustible de biomasa. Las concentraciones relativamente altas de
nitrógeno y azufre orgánico en cada una de las muestras de biomasa, exceptuando la muestra de
madera de pino, podrían ser causa potencial de problemas de polución en el aire por lo que se
requiere remover los NOx y SOx de los productos de combustión antes que fluyan los gases
exhaustos a la atmósfera. Es suficiente decir aquí que la agricultura y los residuos de la silvicultura,
astillas de madera, bagazo generado en las plantaciones de caña de azúcar, MSW, y RDF se han
utilizado como combustibles para los sistemas de combustión por muchos años.
28
Tabla 6. Datos estequiométricos estimados para la combustión de algunos combustibles sólidos*.
Parámetro
Madera
Pasto
Estiércol de
RDF
Carbón
Carbón Coque
de pino
azul de
corral de
bituminoso antracita
Kentucky
engorde
Humedad, %
15.0
15.0
15.0
15.0
3.1
5.2
0.8
peso
Poder calorífico
18.05
15.92
11.36
12.51
32.61
29.47
29.50
superior, MJ/kg
Relación peso
8.2
7.8
6.6
7.5
16.0
33.6
106
C/H
Relación peso
5.37
5.51
3.97
4.25
10.81
9.92
10.09
aire/combustible
Peso CO2/peso
1.90
1.68
1.29
1.51
2.94
2.96
3.12
combustible
Peso H2O/peso
0.56
0.53
0.47
0.49
0.49
0.22
0.07
combustible
Peso N2/peso
4.85
4.97
3.58
3.83
8.26
7.58
7.73
combustible
CO2 en gases
19.9
17.4
18.4
20.0
18.5
19.9
20.4
de combustión
secos, % mol
NO2 en gases
0.032
1.55
1.13
0.21
0.0
0.0
0.266
de combustión
secos, % mol
SO2 en gases
0.0
0.054
0.075
0.035
0.086
0.101
0.089
de combustión
secos, % mol
* Los datos para la madera de pino, pasto azul de Kentucky, estiércol de corral de engorde, y RDF
se calcularon a partir de fórmulas empíricas derivadas de los datos de contenido de C, H, O, N, S,
(Tabla 3.5, Klass, 1998). Cada combustible de biomasa se asumió que contiene 15.0 % en peso de
humedad. Los datos para los carbones y el coque son de Reed (1983), a excepción de los datos
sobre NO2 y SO2 en el gas de combustión seco, que se calcularon a partir de las fórmulas empíricas
derivadas de los análisis elementales en Reed (1983). Las hipótesis generales son que la
combustión es completa, la ceniza y el nitrógeno en el aire son inertes, y todo el nitrógeno y azufre
orgánico se oxidan a NO2 o SO2.
Fuente: Klass, 1998.
E. PARÁMETROS FÍSICOS.
El contenido de humedad de la biomasa verde puede ser muy alto y puede adversamente
afectar el proceso de combustión. Si el contenido de humedad es excesiva, el proceso de
combustión no puede ser auto sostenible y combustible suplementario debe ser utilizado,
que podría frustrar el objetivo de producir energía por combustión de biomasa para uso interno o
para el mercado. Alta humedad también puede causar una combustión incompleta, baja eficiencia
29
térmica global, emisiones excesivas, y la formación de productos tales como alquitranes que
interfieren con la operación del sistema. El presecado del combustible o mezclándolo con
combustible seco para reducir el contenido equivalente de humedad antes de la combustión puede
ser necesaria en estos casos. Los combustibles de biomasa leñosa que contienen 10 a 20 % en
peso de humedad se prefieren generalmente para sistemas convencionales de combustión de
biomasa. Este rango estrecho de contenido de humedad permite acercarse a la combustión
completa sin incurrir en los costos de un mayor secado de la biomasa y permite que las
temperaturas en la cámara de combustión lleguen de 750 a 1000 ° C. Como ya se ha mencionado,
contenidos de humedad más bajos en los combustibles de biomasa puede facilitar obtener
temperaturas de combustión aún más altos.
Otro factor en la combustión de biomasa es el tamaño de partícula de combustible y la distribución
del tamaño de partícula. El diseño del horno determina a menudo los rangos óptimos de estos
parámetros. Pero, en general, con partículas de combustible más pequeñas es más rápido y
completo el proceso de combustión. Las partículas más grandes requieren más tiempo de residencia
en la cámara de combustión para dar una temperatura dada. En los sistemas comerciales,
los costos operativos y de capital para la reducción del tamaño de las partículas y el presecado del
combustible se comparan con sus efectos beneficiosos sobre la combustión y el diseño y costos del
horno.
TRANSFERENCIA DE CALOR (Welty, Wicks, Wilson, 2005).
En cuanto a la teoría sobre transferencia de calor se puede mencionar que existen tres mecanismos
para que se dé, los cuales son: conducción, convección y radiación.
La transferencia de energía por conducción se realiza de dos maneras. El primer mecanismo es el
de la interacción molecular, en el cual el aumento del movimiento de una partícula a un nivel de
energía (temperatura), más alto imparte energía a las moléculas adyacentes que se encuentran en
niveles de energía más bajos. Este tipo de transferencia está presente, en cierto grado, en todos los
sistemas de los cuales exista un gradiente de temperatura y en los que se encuentren presentes
moléculas de sólido, líquido ó gas. El segundo mecanismo es el de transferencia de calor de
conducción por medio de electrones “libres” (o no ligados). El mecanismo de los electrones libres es
importante, principalmente en los sólidos puramente metálicos; la concentración de electrones libres
varía considerablemente en las aleaciones y baja mucho en los sólidos no metálicos.
30
La ecuación básica que sirve para describir el proceso de conducción de calor es la ecuación de
Fourier:
qx
dT
 K
A
dx
Ec. 1
Donde:
qx: es la rapidez de transferencia de calor en la dirección de x en watts o Btu/h;
A: es el área normal a la dirección de flujo de calor en m2 o en ft2.
dT/dx: es el gradiente de temperatura en la dirección de x, en K/m ó en ºF/ft.
k: es la conductividad térmica en W/m.K o Btu/h.ft.ºF.
La razón qx/A, cuyas dimensiones son W/m2 o Btu/h.ft2 se llama flujo de calor en la dirección de x.
La convección es un mecanismo de transferencia de calor que involucra el movimiento de un fluido
en contacto con una superficie sólida. O sea que esta transferencia de calor se relaciona con el
cambio de energía que ocurre entre una superficie y un fluido adyacente.
Existen dos tipos de convección: natural, debido a la diferencia de densidades del fluido y forzada,
usando medios externos (ventilador o bomba).
La ecuación que representa a la rapidez de transferencia de calor convectivo, es la denominada
ecuación de Newton de la rapidez o “ley” de Newton del enfriamiento.
Esta ecuación es:
q/A=hT
Ec. 2
Donde:
q: es la transferencia de calor convectivo, expresada en Btu/h
A: es el área normal a la dirección del flujo de calor, en m2 o en ft2
T: es la diferencia de temperatura que existe entre la superficie y el fluido, en K o en °F
h: es el coeficiente de transferencia de calor convectivo, expresado en W/m2 K o Btu/h ft2 °F
Radiación es la palabra que se utiliza, para designar la transmisión de energía a través del espacio
por medio de ondas electromagnéticas. Si la radiación pasa a través de un espacio vacío, no se
transforma en calor ni en otra forma de energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material, la
radiación se transmitirá, reflejará o absorberá: solamente la energía absorbida es la que aparece
como calor y esta transformación es cuantitativa. El mecanismo exacto de la transferencia de
31
energía radiante no ha quedado totalmente aclarado. Existe evidencia, tanto para respaldar el
argumento ondulatorio como el corpuscular.
La rapidez de emisión de energía desde un radiador perfecto o cuerpo negro está dada por:
q/A= T4
Ec. 3
Donde:
q: es la rapidez de emisión de energía radiante en W o en Btu/h
A: es el área de la superficie emisora en m2 o ft2
T: es la temperatura absoluta en K o °R
: es la constante de Stefan-Boltzman, cuyo valor es 5.672x10-8 W/m2K4 ó 0.1714x10-8 Btu/h.ft2°R4
La ecuación se conoce comúnmente como ley de Stefan-Boltzman de la radiación térmica.
En forma más general dQ=..dA.T4,
Ec. 4
donde  (emisividad), al igual que k y h se debe determinar experimentalmente.
Normalmente estos tres mecanismos de transferencia de calor pueden encontrarse combinados.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LIQUIDOS EN EBULLICIÓN.
Otro mecanismo importante para la generación de vapor es la transferencia de calor en la ebullición
que está relacionada con el cambio de fase de líquido a vapor. Este mecanismo está considerado
como una transferencia de calor por convección con cambio de fase. Se pueden lograr flujos de
calor extremadamente grandes en los fenómenos de ebullición, haciendo su aplicación
particularmente valiosa cuando el espacio de que se dispone para realizar una transferencia
relativamente grande de energía, es muy reducido. Tal es el caso de los reactores nucleares. La
transmisión de calor a líquidos en ebullición es una etapa necesaria en las operaciones básicas de
evaporación y destilación, y también en otras clases de procesos generales, tales como generación
de vapor de agua, tratamiento de petróleo y control de temperatura de las reacciones químicas. El
líquido que hierve puede estar contenido en un recipiente provisto de una superficie de
calentamiento formada por tubos o placas, horizontales o verticales, que suministran el calor
necesario para la ebullición del líquido (Holman, 1998).
El líquido puede también fluir a través de tubos calientes y recibir calor, por convección natural o
forzada, a través de las paredes de los tubos.
Cuando una superficie está en presencia de un líquido y se mantiene a una temperatura por encima
de la temperatura de saturación de éste, puede tener lugar la ebullición, y el flujo de calor dependerá
32
de la diferencia de temperaturas entre la de la superficie y la de saturación. Cuando la superficie
caliente está sumergida en el líquido, el proceso se conoce como ebullición burbujeante. Si la
temperatura del líquido está por debajo de la temperatura de saturación, el proceso se conoce como
ebullición subenfriada o local. Si el líquido se mantiene a la temperatura de saturación, el proceso se
conoce como ebullición saturada o global (Holman, 1998).
Los diferentes regímenes de ebullición se indican en la figura 11, donde se representan gráficamente
los datos de flujo de calor desde un alambre de platino calentado eléctricamente y sumergido en
agua, frente al exceso de temperatura (Tp – Tsat) (Holman, 1998).
En la región I, las corrientes de convección natural son las responsables del movimiento del fluido
cerca de la superficie. En esta región, el líquido próximo a la superficie caliente está ligeramente
sobrecalentado y, por consiguiente, se evapora cuando sube a la superficie. La transferencia de
calor en esta región puede calcularse con las relaciones de la convección natural. En la región II, las
burbujas comienzan a formarse sobre la superficie del alambre y se disipan en el líquido después de
desprenderse de la superficie. Esta región indica el comienzo de la ebullición nucleada.
Figura 11. Datos de flujo de calor desde un alambre de platino calentado eléctricamente y sumergido
en agua, frente al exceso de temperatura (Tp – Tsat).
Fuente: Holman, 1998.
Cuando se aumenta más el exceso de temperatura, las burbujas se forman más rápidamente y
suben a la superficie del líquido, donde se disipan. Esto se indica en la región III. Finalmente, las
33
burbujas se forman tan rápidamente que cubren la superficie calefactora e impiden la afluencia del
líquido fresco que las reemplazaría. Llegado a este punto, las burbujas se unen y forman una
película de vapor que cubre la superficie. El calor debe ser conducido a través de esta película antes
de que éste llegue al líquido y se produzca el proceso de ebullición. La resistencia térmica de esta
película origina una disminución en el flujo de calor, y este fenómeno se ilustra en la región IV, la
región de ebullición en película. Esta región representa una transición desde la ebullición nucleada a
la ebullición en película y es inestable. La ebullición en película estable se alcanza finalmente en la
región V. Las temperaturas de la superficie necesarias para mantener estable la ebullición en
película son altas, y una vez alcanzada esta condición, una parte significativa del calor perdido por la
superficie puede ser el resultado de la radiación térmica, como se indica en la región VI (Holman,
1998).
DINÁMICA DE FLUIDOS.
BALANCE TOTAL DE MASA Y ECUACIÓN DE CONTINUIDAD (Geankoplis, 1998).
Introducción y balances de masa simples.
En la dinámica de fluidos se estudia el movimiento de éstos. Por lo general, se transfieren de un
lugar a otro por medio de dispositivos mecánicos tales como bombas o ventiladores por carga de
gravedad o por presión, y fluyen a través de sistemas de tuberías o equipo de proceso. El primer
paso en la resolución de los problemas de flujo casi siempre consiste en aplicar los principios de
conservación de la masa a la totalidad del sistema o a una parte del mismo. Consideraremos primero
un balance elemental para una geometría simple, para deducir después la ecuación general de
balance de masa.
Los balances simples de material o de masa son:
entrada = salida + acumulación
Puesto que en el flujo de fluidos generalmente se trabaja con velocidades de flujo y casi siempre en
estado estacionario, la velocidad de acumulación es cero y se obtiene:
velocidad de entrada = velocidad de salida (estado estacionario)
En la figura 12 se muestra un sistema simple de flujo en el que el fluido entra a la sección 1 con una
velocidad promedio v1 m/s y una densidad ρ1 kg/m3. El área de corte transversal es A1 m2. El fluido
sale por la sección 2 con una velocidad promedio v2. El balance de masa, ecuación 5 es,
m = ρ1A1v1 = ρ2A2v2
Ec. 5
34
Figura 12. Balance de masa en un sistema de flujo.
Fuente: Geankoplis, 1998.
Volumen de control para balances.
Las leyes de conservación de la masa, la energía y el momento lineal se refieren siempre a un
sistema y gobiernan la interacción de dicho sistema con sus alrededores. El sistema se define como
una cierta cantidad de fluido de identidad conocida. Sin embargo, en el flujo de fluidos no es fácil
identificar las partículas individuales. Como resultado, la atención se centra en un cierto espacio a
través del cual fluye el fluido en vez de hacerlo en una cierta masa del fluido. El método empleado
que resulta más conveniente consiste en seleccionar un volumen de control que es una región
constante en el espacio a través de la cual fluye el fluido.
Figura 13. Volumen de control para el flujo a través de un ducto.
Fuente: Geankoplis, 1998.
En la figura 13 se muestra el caso de un fluido que pasa a través de un conducto. La superficie de
control que se representa como una línea punteada, es la superficie que rodea al volumen de
control. En la mayoría de los problemas, parte de la superficie de control coincide con algún límite
físico tal como la pared del ducto. El resto de la superficie de control es un área hipotética a través
de la cual puede fluir el fluido, tal como lo muestran los puntos 1 y 2 en la figura 13. La
representación del volumen de control es análoga a la del sistema abierto en Termodinámica.
35
BALANCE GLOBAL DE ENERGÍA (Geankoplis, 1998).
La segunda propiedad que debe considerarse en los balances globales del volumen de control es la
energía. Se aplicará el principio de conservación de la energía a un volumen de control fijo en el
espacio de manera similar al caso de conservación de la masa, para obtener los balances generales
de masa. La ecuación de conservación de la energía se combinará con la primera ley de la
Termodinámica, a fin de obtener la ecuación global final de balance de energía.
La primera ley de la Termodinámica puede escribirse como:
∆E=Q - W
Ec. 6
Donde, E es la energía total por unidad de masa de fluido, Q es el calor absorbido por unidad de
masa de fluido, y W es el trabajo de cualquier clase realizado por unidad de masa de fluido sobre los
alrededores.
Puesto que la masa lleva consigo una energía que depende de su posición, movimiento o estado
físico, todos estos tipos de energía aparecen en el balance de energía. Además, también puede
transportarse energía a través del límite del sistema sin transferencia de masa.
Deducción de la ecuación de balance global de energía.
El balance para una cantidad que se conserva, como en el caso de la energía, se expresa como
sigue para un volumen de control:
velocidad de salida - velocidad de entrada + velocidad de acumulación = 0
La energía E presente en un sistema puede clasificarse en tres formas.
1. Energia potencial, zg de una unidad de masa de fluido, que es la energía presente debido a la
posición de la masa en un campo gravitacional g, donde z es la altura relativa en metros desde un
plano de referencia.
2. Energía cinética, v2/2 de una unidad de masa de fluido, que es la energía presente debida al
movimiento de traslación o rotación de la masa, donde v es la velocidad en m/s con respecto al
límite del sistema en cierto punto.
3. Energía interna, U de una unidad de masa de un fluido, que es toda la demás energía presente,
tal como de rotación o vibración de enlaces químicos.
Entonces, la energía total del fluido por unidad de masa es:
(SI)
Ec. 7
(Unidades del sistema inglés)
Ec. 8
36
Tomando en cuenta el trabajo presión-volumen y combinándolo con U para dar la entalpía, se
obtiene que la energía total transportada con una unidad de masa es:
Ec. 9
Balance global de energía para un sistema de flujo en estado estacionario.
Un caso especial bastante común del balance de energía global o macroscópico es el de un sistema
en estado estacionario con flujo unidimensional a través de los límites, una sola entrada, una sola
salida y una variación de altura z despreciable, siendo la densidad ρ y la entalpía H a través del área
de entrada o de salida. Esto se muestra en la figura 14.
Figura 14. Sistema de flujo en estado estacionario de un fluido.
Fuente: Geankoplis, 1998.
La ecuación para este sistema es:
(
(
)
(
)
)
(
(SI)
)
Ec. 10
(Unidades del sistema inglés)
Ec. 11
Donde Ws, es el trabajo mecánico puro.
Balance general de energía mecánica.
Un tipo de balance de energía más útil para el flujo de fluidos, en especial de los líquidos, es una
modificación del balance total de energía que considera la energía mecánica. Casi siempre, a los
ingenieros les interesa primordialmente este tipo especial de energía, llamado energía mecánica,
que incluye el término de trabajo a la energía cinética, a la energía potencial y la parte de trabajo de
37
flujo del término de entalpía. La energía mecánica es una forma de energía que es, o bien un
trabajo, o una forma que puede transformarse directamente en trabajo. Los otros términos de la
ecuación de balance de energía (Ec. 10 y Ec. 11), los términos de calor y la energía interna, no
permiten una conversión simple a trabajo debido a la segunda ley de la Termodinámica y a la
eficiencia de la conversión, que depende de las temperaturas. Los términos de energía mecánica no
tienen esta limitación y pueden convertirse casi en su totalidad en trabajo. La energía que se
convierte en calor, o energía interna, es trabajo perdido o una pérdida de energía mecánica causada
por la resistencia friccional al flujo.
La ecuación de balance general de energía mecánica es:
*
+
(
)
∑
∫
Ec. 12
Donde:
ΣF, es la suma de todas las pérdidas por fricción por unidad de masa.
El valor de la integral en la ecuación anterior depende de la ecuación de estado del fluido y de la
trayectoria del proceso. Si el fluido es un líquido incompresible, la integral se transforma en (p 2 –p1)/ρ
y la ecuación toma la forma:
*
+
(
)
(
)
∑
Ec. 13
Ecuación de Bernoulli para el balance de energía mecánica.
En el caso especial en que no se añade energía mecánica (Ws = 0) y no hay fricción (ΣF = 0), la
ecuación 13 se convierte en la ecuación de Bernoulli, ecuación 14, para flujo turbulento, cuya
importancia requiere explicaciones adicionales.
Ec. 14
Esta ecuación cubre muchas situaciones de importancia práctica y se usa con frecuencia junto con
la ecuación de balance de masa (Ec. 5) para estado estacionario:
̇
CALDERAS.
Definiciones. Las siguientes definiciones de caldera generalmente se encuentran en forma de leyes
estatales y códigos de caldera referentes a requisitos de instalación o inspección, así como leyes de
ingeniería para operar este tipo de equipos.
38
Una caldera es un recipiente a presión cerrado en el que se calienta un fluido para uso externo del
mismo por aplicación directa del calor resultante de la combustión de un combustible (sólido, líquido
o gaseoso) o por utilización de la energía nuclear o eléctrica (Kohan, 2000).
Las calderas se pueden clasificar de diferentes maneras. Si se clasifican en base a la presión de
vapor que generan pueden ser calderas de alta presión y calderas de baja presión. Una caldera de
alta presión es aquella que genera vapor a una presión mayor de 15 psig (1.05 kgf/cm 2)
manométricos (1.05 atmósferas efectivas o manométricas). Una caldera de potencia es una caldera
de vapor o de fluido que trabaja por encima de 15 psig y excede el tamaño de una caldera miniatura.
Esto también incluye el calentamiento de agua caliente o calderas de agua caliente que funcionan
por encima de 160 psi /11.2 kgf/cm2) o 250 °F (121.1 °F). De acuerdo a la sección 1 del código de
calderas y recipientes a presión de la ASME (American Society of Mechanical Engineering) una
caldera miniatura de alta presión es una caldera de alta presión que no excede de los límites
siguientes: 16” (406.4 mm) de diámetro interior de virola (o chapa envolvente cilíndrica); 5 pies
cúbicos (0.1415 m3) de volumen bruto de virola y aislamiento; y 100 psig (7 kgf/cm2 efectivos o
manométricos) de presión. Si se exceden estos límites, se trata de una caldera de potencia (Kohan,
2000). Una caldera de baja presión se define como una caldera de vapor que trabaja por debajo de
15 psig (1.05 kgf/cm2) de presión o una de agua caliente que funciona por debajo de 160 psig (11
kgf/cm2) o 250 °F (121.1 °C) (Kohan, 2000).
Las calderas se clasifican también por la naturaleza de los servicios prestados. Las clasificaciones
tradicionales son: estacionaria, portátiles, de locomotora y marinas. Una caldera estacionaria es la
instalada permanentemente en una posición fijada en un lugar. Una caldera portátil está montada
sobre un camión, barco, pequeño bote de río u otro aparato móvil. Una caldera de locomotora es
una caldera diseñada especialmente para vehículos de tracción autopropulsados sobre raíles
(también se usa para servicio estacionario). Una caldera marina es normalmente una caldera de tipo
especial de cabezal bajo destinada para barcos de carga y pasajeros con una capacidad de
vaporización inherente rápida (Kohan, 2000).
Las calderas se pueden clasificar también según el tipo de construcción en calderas de fundición y
calderas de acero.
Las calderas de fundición son unidades de calefacción de baja presión construidas por secciones de
fundición a presión de acero, bronce o latón. Estos a su vez se clasifican por el modo en que se
39
disponen o ensamblan las secciones de fundición por medio de conectores o niples, colectores
exteriores y manguitos roscados (uniones). En base a esto hay tres tipos de calderas de fundición:
1. Calderas verticales de fundición de secciones colocadas o montadas verticalmente una encima
de otra, similar a los pancakes con accesorios de conexión que unen las secciones.
2. Calderas horizontales de fundición por secciones conectadas o ensambladas horizontalmente de
modo que las secciones se mantienen juntas como rebanadas en una hogaza de pan.
3. Pequeñas calderas de fundición también construidas en una pieza o molde simple de pieza
única. Éstas son generalmente pequeñas calderas usadas principalmente en el pasado para
servicios de agua caliente (Kohan, 2000).
Las calderas de acero pueden ser de alta presión o de baja presión y, hoy en día, son normalmente
de construcción soldada. Están divididas en dos clases:
1. En las calderas de tubos de fuego o tubos de humos, los productos de la combustión pasan a
través del interior de los tubos con el agua rodeándolos por el exterior. Generalmente son
utilizadas para capacidades hasta 22000 kg/h y presión de 21 kgf/cm2. Por encima de esta
capacidad y presión, se usan las calderas de tubos de agua. Las calderas de tubos de humos o
pirotubulares se clasifican como calderas de virolas de chapa o cilíndricas. El agua y el vapor
están recluidos en la virola o cilindro de chapa. Esta disposición limita el volumen de vapor que
puede generarse sin hacer las virolas demasiado grandes y, con respecto a la presión, el
espesor de chapa requerido sería demasiado grande como fabricarlas en altas presiones.
2. En las calderas de tubos de agua, el agua pasa o circula por el interior de los tubos y los
productos de la combustión rodean a los tubos por su parte exterior (Kohan, 2000).
También se pueden clasificar por el sistema de aplicación. Las especificaciones del sistema de
caldera darán una idea inmediata de la capacidad, presiones y temperaturas que se requerirán. Otra
especificación importante es la del combustible, así como su valor para la planta. Los sistemas
pueden agruparse según las aplicaciones siguientes:
1. Sistema de calefacción a vapor.
2. Sistema de calefacción por agua caliente.
3. Sistema de proceso de vapor a alta presión.
4. Sistema de generación eléctrica a vapor, usando combustibles fósiles.
5. Sistema de generación eléctrica a vapor, usando combustible nuclear.
40
6. Sistema que utiliza un fluido de trabajo diferente del agua, como “dowtherm” (producto líquido
sintético fabricado por la casa DOW CHEMICALS) para uso en procesos de alta temperatura y
baja presión (Kohan, 2000).
ORGANIZACIONES RELACIONADAS CON NORMATIVA (Kohan, 2000).
Código ASME de calderas. Este código y el código de inspección del National Board, Asociación
Nacional de inspectores de Calderas y Recipientes a Presión, en Estados Unidos, son una fuente
importante de documentos para requisitos legales en los diversos estados y municipalidades que
han adoptado leyes de seguridad de calderas. Un requisito fundamental del código ASME de
Calderas y Recipientes a Presión, para ser aprobado oficialmente y designado con el sello ASME, es
que se debe sufrir una inspección por parte de un tercer organismo autorizado durante la
construcción para cumplir con los requisitos normativos en vigor.
National Board de inspectores de Calderas y Recipientes a Presión. Está compuesto por los
Inspectores Jefes de los estados y municipios de los Estados Unidos y provincias canadienses. Esta
organización ha establecido criterios para los requisitos de experiencia de los inspectores de
calderas, la promoción y conducción de exámenes uniformes y las pruebas que son utilizadas por
las jurisdicciones.
Otras organizaciones de aprobación. Estas organizaciones están relacionadas con todas las clases
de riesgos potenciales de incendios o seguridad eléctrica. Entre estas tenemos a Underwriters
Laboratory, UL (Laboratorio de asegurados), Laboratorios Factory Manual, FM, Aseguradores de
riesgos industriales, IRI y la Asociación Americana del Gas, AGA.
Certificación ISO 9000. Ésta es una serie internacional de normas de gestión de control de calidad
publicadas en 1987 por la organización internacional para la normalización (ISO). La ISO 9000 es
paralela al código ASME en muchos casos para calderas y recipientes a presión y para
documentación de componentes nucleares.
PRINCIPIO DE SEMEJANZA (Molyneux, 1969).
Este principio, enunciado por primera vez por Isaac Newton en su “Principia”, establece la relación
entre sistemas físicos de tamaños distintos. En él se indica que “la configuración espacial y temporal
de un sistema físico está determinada por razones de magnitudes características del sistema y no
depende del tamaño o naturaleza de las unidades en que estas magnitudes se midan”.
41
La Ingeniería Química trabaja con sistemas complejos formados por cuerpos sólidos y fluidos en los
que puede tener lugar transferencia de materia y energía, así como también cambios químicos. El
concepto de forma aplicado a estos sistemas implica no sólo las proporciones geométricas de sus
partes sólidas y superficies, sino también factores tales como: perfiles de velocidades en el flujo de
fluidos, gradientes de temperatura, gradientes de concentración, etc. Cuando dos sistemas poseen
la misma configuración en uno o más de estos aspectos, se dice que son semejantes.
La semejanza puede establecerse de dos formas: 1) Especificando las razones de medidas
diferentes del mismo cuerpo; 2) Especificando las razones de medidas correspondientes de cuerpos
distintos.
En Ingeniería Química tienen interés cuatro clases de semejanza:
I)
Semejanza geométrica.
II)
Semejanza mecánica.
III)
Semejanza térmica.
IV)
Semejanza química.
La semejanza geométrica está determinada por las razones de altura a anchura y de anchura a
espesor. En cuerpos geométricamente semejantes estas razones o factores de forma son
constantes. Cuando se comparan dos cuerpos geométricamente semejantes, existe una relación
constante entre sus respectivas alturas, anchuras y otras dimensiones homólogas, denominada
razón de escala. La semejanza geométrica entre dos sistemas se define, pues, por la constancia de
las razones de escala.
La semejanza con respecto a otras variables tales como velocidad, fuerza, temperatura se define
generalmente por una sola razón intrínseca para cada sistema. Si en dos sistemas geométricamente
semejantes los valores globales de la razón intrínseca son iguales, puede asegurarse que los
valores de dicha razón en puntos homólogos también lo serán.
Estas razones intrínsecas son grupos adimensionales que definen la semejanza bajo diferentes
condiciones, por lo que los principios de semejanza están relacionados con los métodos de análisis
dimensional.
Criterios y ecuaciones de semejanza.
La semejanza mecánica, térmica o química entre dos sistemas geométricos semejantes puede
especificarse en función de criterios que son razones de magnitudes intrínsecas de cada sistema.
42
Puesto que estos criterios han de ser razones de magnitudes iguales, son adimensionales. Para
deducirlos existen dos métodos generales.
El primer método se utiliza cuando no se dispone de las ecuaciones diferenciales que rigen el
sistema, pero se conocen todas las variables que determinan su comportamiento. En estos casos es
posible deducir los criterios de semejanza mediante análisis dimensional. El segundo método se
utiliza cuando las ecuaciones diferenciales son conocidas pero no se pueden integrar. En este caso
los criterios de semejanza pueden deducirse directamente de la forma diferencial del modelo
matemático.
Un ejemplo típico del primer método puede ser el estudio de la circulación de un fluido; la pérdida de
cantidad de movimiento que experimenta este debe ser función de las siguientes variables:
∆P= (
) Ec. 15
Donde:
∆P: pérdida de presión.
L: dimensión lineal característica.
V: velocidad del fluido.
densidad del fluido.
viscosidad del fluido
g: aceleración de la gravedad.
Aplicando el análisis dimensional se llega a:
(
) Ec. 16
Que es la ecuación adimensional general que describe el movimiento de un fluido viscoso.
Para usar el segundo método, las ecuaciones de Navier-Stokes para el movimiento de un fluido
viscoso pueden establecerse en forma diferencial. Estas ecuaciones pueden ser integradas en
algunos casos sencillos y entonces no hay necesidad de deducir los criterios de semejanza ni de
comprobar el modelo matemático por experimentación. No obstante, en muchos otros casos, la
solución es tan complicada que su utilidad es muy limitada, en cuyo caso las ecuaciones
diferenciales pueden utilizarse para deducir una ecuación homogénea que se comprobará por
43
experimentación; esta ecuación puede reagruparse en forma de módulos adimensionales. Así se
llegaría a:
Módulo de pérdida de fricción= (Módulo de Reynolds)(Módulo de Froude)
Para el cambio de escala, a partir de los resultados de los experimentos de planta piloto, es
conveniente que las reacciones y operaciones físicas se lleven a cabo bajo condiciones tales que la
velocidad esté controlada predominantemente por un módulo adimensional particular. Así la
ecuación de movimiento de un fluido puede dividirse claramente en dos regiones: 1) Región
controlada por la viscosidad (módulo de Reynolds); 2) Región controlada por el efecto de la
gravedad (módulo de Froude).
Por la analogía entre los fenómenos de transferencia de materia, cantidad de movimiento y calor por
convección, pueden establecerse ecuaciones adimensionales semejantes para la transmisión de
calor, introduciendo el módulo de Nusselt (hL/k), y el módulo de Prandtl (Cp /k), y para la
transferencia de materia introduciendo el módulo de Sherwood (k cL/Dg), y el módulo de Schmidt
(
), donde:
h: coeficiente de transmisión de calor.
kc: coeficiente de transferencia de materia.
k: conductividad térmica del fluido.
Cp: calor específico del fluido.
: difusividad molecular del fluido.
RESULTADOS DE INVESTIGACIONES ANTERIORES.
Los estudios realizados hasta la fecha de los que se tiene conocimiento se han mencionado en los
antecedentes. Algunos datos sobre el poder calorífico de diferentes tipos de biomasa sólida que se
investigaron en esos trabajos de graduación de grado han servido de base para realizar los cálculos
para diseñar y dimensionar la caldera experimental.
Uno de estos estudios fue finalizado en octubre de 1983 denominado “Alternativas de procesamiento
en el desarrollo de agroindustrias en El Salvador” en el que se hace una recopilación del potencial
de utilización de los productos y subproductos resultantes de la práctica de cultivos como el café y la
caña de azúcar, finalizándose con una exposición de las rutas de elaboración de los productos
derivados más importantes que son posibles de obtener. En este estudio lo relacionado con el
proyecto de la tesis de la maestría es donde se menciona los usos combustibles del bagazo de la
44
caña de azúcar mencionando que la combustión directa ha sido al presente la más utilizada para
producir vapor o electricidad.
Existen otros estudios como el realizado en 1997 y trata sobre la evaluación del potencial energético
de residuos agrícolas vegetales en El Salvador provenientes de la caña de azúcar y del maíz. En
este estudio se efectuaron pruebas calorimétricas de los residuos, contenido de fibra cruda, celulosa
y lignina para evaluar el poder calorífico neto, y las pruebas de densificación para determinar el
volumen que ocupan estos residuos bajo condiciones controladas de presión.
Existen otros trabajos de graduación relacionados con la producción de energía a partir de biomasa
sólida pero la mayoría se orientan a la determinación del poder calorífico de la sustancia en cuestión
y no de la utilización en sí de la misma. Por lo anterior se puede decir que efectuar pruebas con
biomasa sólida en calderas ya existentes puede servir de una guía bastante importante para el
diseño de una caldera a nivel experimental.
Varias agroindustrias ya utilizan para su proceso biomasa sólida proveniente de la producción de los
cultivos que se procesan en las mismas como es el caso del bagazo de caña en los ingenios
azucareros o cascarilla de café en los beneficios. Pero el planteamiento de diseñar una caldera a
pequeña escala es con el objetivo de ensayar con otros tipos de biomasa sólida para comprobar si lo
planteado en los estudios previos se puede llevar a la práctica de una manera eficiente.
Otro trabajo de graduación finalizado en octubre de 2010 trata sobre la evaluación del potencial
energético de desechos sólidos de granjas de engorde avícolas en El Salvador, refiriéndose
básicamente a la gallinaza o pollinaza que está formada por granza de arroz que sirve de lecho para
los pollos de engorde en los corrales.
DATOS ESTADÍSTICOS.
En El Salvador la importancia de la biomasa como fuente de producción de energía para procesos o
para electricidad se sabe que se está utilizando en los ingenios azucareros (bagazo de caña) y en
beneficios de café (cascarilla de café) pero no en la magnitud con la que se utiliza en otros países
como los de Europa, por lo que se reportaran datos de algunos países como España donde se
menciona que ya existen plantas de biomasa cuya producción de energía es bastante significativa.
Pero algunos ingenios en El Salvador sí están inyectando actualmente a la red aproximadamente 50
MW de una capacidad instalada de 100 MW (ver anexo 1).
En una referencia consultada por Internet se presenta un inventario de las plantas de biomasa que
se encuentran en la actualidad instaladas en España así como también las proyectadas, las cuales
45
se presentan en el anexo 2, esto para cuantificar la importancia de esta fuente de energía renovable.
En la actualidad se encuentran en explotación 22 plantas con una potencia instalada de 358.49 MW,
y se encuentran en fase de proyecto 53 con una potencia a instalar de 765.36 MW (Energiza, 2011).
(Ver anexo 2).
Como una muestra de los temas en los que, por ejemplo España está trabajando, aunque en Europa
llevan años trabajando en estandarización, en España se está empezando, se presenta una tabla
donde se encuentran de forma esquemática, las cadenas de valor del plan, definidas para el sector
de la bioenergía para generación térmica de la Plataforma Tecnológica Española de la Biomasa,
BIOPLAT (ver tabla 7).
También en el total de Europa el consumo de biomasa sólida para producción de calor o para
producción de electricidad es bastante considerable. Teniéndose información que para el año 2011
el consumo de biomasa sólida en los Estados Miembros de la Unión Europea para producción de
calor fue de 64.9 MTep, para producción de energía primaria fue de 78.8 MTep, produciéndose 72.8
TWh de energía eléctrica. (EurObserv’ER, 2012). (Ver anexo 3).
Revisando información por internet se puede observar que el uso de calderas de biomasa en países
de Europa no es algo nuevo, y más aún tienen hasta reglamentados y legislados muchos de los
aspectos relacionados con este tema. Existen también bastantes fabricantes que se dedican al
diseño y construcción de calderas de biomasa sólida. Pero en estos países existen líneas de I+D
donde uno de los puntos clave en el que todos los fabricantes trabajan es en mejorar la eficiencia de
la producción energética, no sólo desarrollando los equipos (mejoras en la combustión, nuevos
materiales más resistentes, etc.), sino aumentando la eficiencia del sistema completo. Aunque se
menciona que, efectivamente, el rendimiento de las calderas ya es muy elevado y solo se puede
aumentar en escasa medida (CONAMA, 2012).
46
Tabla 7. Cadenas de valor definidas para el sector de la bioenergía para generación térmica de la
Plataforma Tecnológica Española de la Biomasa, BIOPLAT.
TÍTULO CADENA DE VALOR
Retos tecnológicos
Retos de uso final/ retos no
tecnológicos
Utilización de biocombustibles . Desarrollo de
sólidos mediante combustión instalaciones de
directa
combustión para
multicombustibles
biomásicos
• Reducción de las
emisiones de los
pequeños equipos de
combustión.
• Reducción de la
sinterización y
corrosión de los
equipos de combustión.
• Desarrollo de calderas
y equipos de
combustión para
materiales herbáceos y
biomasas leñosas con
un contenido medio en
cenizas.
• Hibridación con otras
tecnologías.
• Mejora de la eficiencia
en ciclos y equipos de
combustión
• Valorización de cenizas
y escorias
• Integración del uso de
biomasa para generación térmica
y eléctrica en otras unidades
industriales (refinerías,
cementeras, etc.)
• Desarrollo del mercado de
la refrigeración con biomasa
Fuente: (CONAMA, 2012).
DISEÑO METODOLÓGICO (MATERIAL Y MÉTODO).
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.
El tipo de estudio que se realizó es analítico, explicativo y experimental debido a que fue necesario
indagar algunos datos de calderas existentes, necesarios para poder diseñar la caldera experimental
que es el objetivo principal.
Como el objetivo principal de esta tesis es diseñar una caldera experimental para biomasa sólida los
pasos a seguir para lograrlo son los que a continuación se mencionan que están de acuerdo con los
objetivos específicos.
Se realizó una investigación sobre empresas que utilizan actualmente calderas de biomasa sólida
para lo cual fue necesario indagar en industrias que se dedican al beneficiado de café, al
47
procesamiento de la caña de azúcar, a la obtención de aceites para la producción de
biocombustibles, etc.
Se trató de contactar algunas de estas industrias para ver la posibilidad de realizar las mediciones
necesarias de parámetros de combustión, del tipo de biomasa utilizada y de la caldera en sí. Esto no
se pudo lograr en parte porque las calderas que utilizan biomasa sólida como combustible no se
encontraban trabajando en la época en que se realizó la investigación, como es el caso de los
beneficios de café, solamente se pudo visitar uno de ellos, entrevistando al administrador del mismo
y observar la caldera que utilizan para su producción de vapor.
Se revisó bibliografía sobre trabajos de graduación que actualmente se han realizado en el país
relacionados con el tema de la biomasa sólida, especialmente en la Universidad de El Salvador o en
otras que funcionen en el país con el objetivo de obtener datos experimentales del poder calorífico
que se puede obtener de sus diferentes formas.
Investigar bibliográficamente los poderes caloríficos de biomasa sólida que hayan sido determinadas
a la fecha. Estos datos se encuentran en las tesis mencionadas.
Medir el poder calorífico de algunas especies forestales que no hayan sido caracterizadas. Se
consideró que no es necesario en el caso presente porque existen bastantes datos de especies
forestales a los que se les ha determinado dicho parámetro (ver anexo 5).
Revisar bibliografía en general que trate sobre biomasa sólida.
Se elaboró un cuestionario para obtener datos de calderas de biomasa existentes actualmente en el
país para poder tener un buen punto de partida en la investigación. Solamente se pudo entrevistar a
una persona administradora de un beneficio de café.
Una vez obtenido algunos datos experimentales en calderas existentes se procedió al cálculo para el
diseño de la caldera experimental, diseñando el mejor arreglo y las dimensiones de los tubos
interiores de la caldera, seleccionar la mejor orientación de la caldera de biomasa, calcular el flujo
másico necesario de gases de combustión para la producción de vapor de agua, calcular la cantidad
de biomasa sólida por unidad de tiempo necesaria para suplir los requerimientos de calor para
evaporar el agua, dimensionar el horno donde se quemará la biomasa sólida, calcular la altura
necesaria de la chimenea para eliminar adecuadamente los gases de combustión y cualquier otro
parámetro que sea necesario para su diseño. Para esta parte que es la central del trabajo de tesis se
utilizaron datos de los resultados de un trabajo de investigación realizado en el módulo de biomasa
de la Maestría en Energías Renovables y Medio Ambiente (Arévalo et al, 2011).
48
ÁREA DE ESTUDIO.
La investigación se realizó en el territorio de El Salvador con respecto a indagar sobre las
agroindustrias que utilizan calderas de biomasa sólida para su proceso, pero para las mediciones
que serían necesarias realizar se harían en algunas de aquellas que acepten colaborar.
Lógicamente estas agroindustrias probablemente estarían fuera del área de las ciudades por el tipo
de materia prima que utilizan. No se realizó completamente por lo expuesto anteriormente.
POBLACIÓN A ESTUDIAR.
Las agroindustrias que se visitarían serían las que utilicen en sus procesos calderas de biomasa
sólida para la producción de vapor de agua. Y para las mediciones, las calderas que además de
utilizar biomasa sólida como combustible, estén en funcionamiento o se puedan poner a funcionar, y
que además su tamaño no sea muy grande. Deben ser de tubos de fuego, o sea que los gases de
combustión circulen por el interior de los tubos interiores de la carcasa.
ASPECTOS TECNOLÓGICOS A ESTUDIAR.
Lo que se estudiaría principalmente en las calderas de biomasa a las que se pudiera tener acceso
son su forma, dimensiones, el tipo, materiales de construcción, posición, arreglo de los tubos,
entrada de aire, altura de la chimenea, material de la chimenea, forma de alimentar el agua, esto en
cuanto a lo físico. En cuanto a los aspectos termodinámicos y de transferencia de calor se medirían
la temperatura de los gases de combustión en el horno, la temperatura de los gases de combustión
en la salida de la chimenea, la temperatura de la superficie exterior de la caldera, la temperatura
ambiente, la temperatura del agua de alimentación, el volumen de agua consumido en determinado
tiempo, la presión de vapor alcanzada en el mismo período de tiempo, la cantidad de biomasa sólida
consumida y otros que puedan surgir en el transcurso de la investigación. Aquí se tomó de
referencia los parámetros de la caldera de CENTA que se estudió en el módulo de biomasa como ya
se mencionó anteriormente así como también la información que se obtuvo de la visita a un beneficio
de café.
MUESTRA.
La muestra que se utilizó fue de tipo cualitativo o por conveniencia porque dependía, no de la
cantidad de agroindustrias que existen en el país, sino que de la accesibilidad que se tuviera a
algunas de ellas y de la cual se puedan obtener datos experimentales que sirvan de base para el
diseño de la caldera experimental.
49
PROCEDIMIENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS.
Para obtener la información de las personas relacionadas con las calderas en las agroindustrias a
visitar se diseñó un cuestionario con preguntas relacionadas al funcionamiento, consumo de
biomasa sólida, consumo de agua, etc. (ver anexo 4).
LAS VARIABLES Y SU MEDICIÓN.
Básicamente las variables a medir de forma experimental serían las temperaturas mencionadas en
los aspectos tecnológicos a estudiar, las dimensiones de las calderas existentes y los consumos de
biomasa y de agua para producir vapor en un determinado tiempo. Parte de estos datos se
obtuvieron en una entrevista realizada a un beneficio de café.
PLAN DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.
Las mediciones experimentales se anotarán en tablas para luego ser procesadas en Microsoft Excel
2010 o en Word. La información obtenida de las agroindustrias que tienen calderas fue obtenida por
medio de un cuestionario que se llenó en una entrevista con un representante de las mismas.
LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
DISEÑO DEL PROCESO DE LA CALDERA DE BIOMASA SÓLIDA A NIVEL EXPERIMENTAL.
MODELO CONCEPTUAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CALDERA EXPERIMENTAL.
La caldera que se diseñó es una tipo de tubos de fuego o tubos de humo o sea que los gases de
combustión fluirán por dentro de los tubos que estarán contenidos en el interior de la carcasa. La
transferencia de calor se dará a través del espesor de los tubos desde los gases de combustión
hasta el agua que estará del lado exterior de los tubos, pero contenida en la carcasa, la cual entrará
en ebullición para producir el vapor. La orientación será vertical por considerar que con esto se
facilita su diseño y también porque la caldera que se tuvo la oportunidad de observar y tomar
algunas medidas estaba orientada así. La transferencia de calor se consideró que se dará en estado
estable o sea que la cantidad de calor que fluirá desde los gases de combustión radialmente a través
del espesor de los tubos hacia el lado del agua será la misma mientras dure la prueba que se esté
realizando. Los gases de combustión se producirán al quemar la biomasa sólida (leña) en el horno y
luego fluirán por el interior de los tubos.
Los materiales de los que se construirá se tratará que cumplan con normas internacionales como las
ASME para construcción de calderas o las ISO 2245:2006 para materiales refractarios.
50
También el volumen y la presión para la cual se diseñó están de acuerdo a las normas ASME para
calderas y recipientes a presión.
Más que todo se ha dimensionado la caldera; en la etapa constructiva sería de corroborar algunos
detalles, y luego de construida se comprobaría su funcionamiento.
En primer lugar se identificaron las teorías a aplicar en las diferentes etapas del proceso de
funcionamiento de la caldera de biomasa sólida.
a) Combustión de la biomasa sólida en el horno de la caldera.
Transferencia de calor. Aquí se utilizó la teoría sobre transferencia de calor en estado inestable en
cuanto a averiguar el tiempo necesario para que la biomasa sólida se queme en su totalidad.
También se podría utilizar la teoría referente a la radiación para averiguar la cantidad de calor que se
va a estar intercambiando entre la biomasa sólida y la pared del horno que se entiende que tiene
que ser de material refractario. También aquí puede ser necesario calcular el tiempo que se necesita
para calentar el horno a la temperatura requerida para mantener la combustión.
Aquí interesa conocer el poder calorífico del tipo de biomasa sólida con la cual se hará el diseño o
con los que se harán los cálculos del tipo y la cantidad de gases de combustión necesarios para
calentar una determinada cantidad de agua para que pueda producir vapor.
Para encontrar la temperatura de las paredes del refractario se puede utilizar la ecuación de StefanBoltzman, involucrando el calor de combustión (Poder calorífico) de la biomasa sólida; para la
temperatura de la leña se puede tomar la adiabática de llama (que según la figura 10 puede oscilar
entre 1625 °C a 2000 °C para humedades comprendidas entre 5 a 10 % dependiendo del exceso de
aire). El promedio podría ser aproximadamente 1800 °C.
En base a la bibliografía consultada hasta el momento, se puede utilizar un poder calorífico promedio
de los diferentes tipos de biomasa sólida (leña) que se utilizan en el país o en otras latitudes de
4300 kcal/kg (ver tabla 4) para el cálculo de los requerimientos energéticos en el intercambio de
calor a través de los tubos de la caldera. Aunque según el anexo 5 el valor podría ser mayor
dependiendo de cada especie forestal que se utiliza como combustible en la caldera.
b) Producción de vapor en la carcasa de la caldera.
Transferencia de calor. Las teorías que se utilizaron en esta parte son las de convección de los
gases de combustión hacia las paredes de los tubos, la conducción a través del espesor de los
tubos, la convección de las paredes exteriores de los tubos hacia el agua en la carcasa, la
51
transferencia de calor en líquidos en ebullición para averiguar la cantidad de calor requerida para
producir vapor y en qué régimen se trabajará y de ser elevada la temperatura en el exterior y el
interior de los tubos, la transferencia de calor por radiación. Las condiciones termodinámicas a las
cuales se producirá el vapor dependerán de los requerimientos de calor que tomemos como base
para el cálculo o de datos que se averigüen de calderas ya existentes. La falta de estos datos se
compensó con ecuaciones de cada teoría empleada.
c) Pérdida de calor por convección y/o hacia los alrededores.
Transferencia de calor. Se utilizó la teoría de la transferencia de calor por convección natural hacia
los alrededores, tanto de la carcasa como en la superficie externa de la chimenea. También las
pérdidas por radiación. Aquí puede ser necesario la utilización de la cámara termográfica.
d) Pérdida de calor en los gases de combustión que se eliminan por la chimenea.
Se puede utilizar teoría relacionada con el balance de materia y energía. También Termodinámica.
Aquí se puede utilizar la cámara termográfica.
e) Dimensiones de la carcasa de la caldera.
De acuerdo a la sección 1 del código de calderas y recipientes a presión de la ASME (American
Society of Mechanical Engineering) una caldera miniatura de alta presión es una caldera de alta
presión que no excede de los límites siguientes: 16” (406.4 mm) de diámetro interior de virola (o
chapa envolvente cilíndrica); 5 pies cúbicos (0.1415 m3) de volumen bruto de virola y aislamiento; y
100 psig (7 kgf/cm2 efectivos o manométricos) de presión. Si se exceden estos límites, se trata de
una caldera de potencia (Kohan, 2000).
f) Cálculo de la altura de la chimenea.
En esta parte se utilizaron las teorías sobre mecánica de fluidos y sobre relaciones de semejanzas
geométricas con la caldera ya existente de CENTA.
g) Materiales a utilizar en las diferentes partes de la caldera.
Teoría sobre materiales y normas que los especifiquen.
h) Condiciones del vapor producido en la caldera.
Termodinámica. También se utilizó teoría sobre transferencia de calor en líquidos en ebullición.
CÁLCULOS.
BASE: 1 KW de calor producido en forma de vapor. (Prueba preliminar).
Se tomó como base de cálculo para comenzar a probar las dimensiones más que todo de la longitud
de tubo interior necesario para la transferencia de calor. La presión a la cual se producirá el vapor
52
será de 7 kgf/cm2 manométricas (8.033227 kgf/cm2 absolutos), que es la presión máxima que puede
producir una caldera que se considera de tamaño miniatura según la ASME.
Por estar en contacto el vapor con el agua de la caldera, se considera que debe estar en
condiciones de saturación. Por lo tanto de tablas de vapor, la temperatura de saturación del lado del
agua y del vapor de la caldera será: 169.77 °C. Las propiedades del vapor y del líquido saturado a
estas condiciones son:
a) Vapor:
Presión: 7.877905 bar
Entalpía: 2767.67 kJ/kg
Volumen: 0.243874 m3/kg
Densidad: 4.10048 kg/m3
Cp= 2.59186 kJ/kg °C
Viscosidad: 14.6734 μPa.s
k= 0.0347098 W/m.°C
Pr: 1.09569
b) Líquido:
Presión: 7.877905 bar
Entalpía: 718.076 kJ/kg
Volumen: 0.00111398 m3/kg
Densidad: 897.686 kg/m3
Cp= 4.36702 kJ/kg °C
Viscosidad: 159.782 μPa.s
k= 0.677126 W/m.°C
Pr: 1.03049
El calor latente de vaporización será: 2767.67 kJ/kg - 718.076 kJ/kg = 2049.594 kJ/kg
Estos datos servirán en parte para averiguar el tipo de material de las tuberías y la carcasa por su
resistencia a esta temperatura máxima de operación de la caldera miniatura del lado del agua.
Pero también podemos averiguar estas mismas propiedades pero para una presión intermedia como
podría ser por ejemplo 5 kgf/cm2 absolutos (4.903325 bares absolutos). Las propiedades serán:
a) Vapor:
Tsat: 151.097 °C
53
Presión: 4.903325 bar
Entalpía: 2747.24 kJ/kg
Volumen: 0.381764 m3/kg
Densidad: 2.61942 kg/m3
Cp= 2.40368 kJ/kg °C
Viscosidad: 14.0298 μPa.s
k= 0.0317599 W/m.°C
Pr: 1.06181
b) Líquido:
Tsat: 151.097 °C
Presión: 4.903325 bar
Entalpía: 636.915 kJ/kg
Volumen: 0.00109173 m3/kg
Densidad: 915.98 kg/m3
Cp= 4.30999 kJ/kg °C
Viscosidad: 181.036 μPa.s
k= 0.681854 W/m.°C
Pr: 1.14432
Para estas otras condiciones el calor latente será de vaporización será: 2747.24 kJ/kg - 636.915
kJ/kg = 2110.325 kJ/kg.
Para la producción de 1kW (1 kJ/s) de calor en el vapor se necesitarán las siguientes cantidades de
flujo másico a las diferentes presiones, utilizando: ̇ = ̇ hfg.
A la presión de 8.033227 kgf/cm2 absolutos: 1.76 kg de vapor /h
A la presión de 5 kgf/cm2 absolutos: 1.71 kg de vapor /h
Se observa que la diferencia de una presión a otra no es muy significativa.
Si el comportamiento de la caldera fuera adiabático, la energía en forma de calor que debería de dar
la biomasa sólida a través del espesor de las tuberías, sería de 1 kW para un flujo másico de vapor
de las cantidades calculadas anteriormente, pero manteniendo o habiendo alcanzado ya la
temperatura de saturación de la presión requerida. O sea que otro dato importante que se debe
conocer es la masa de agua que debe contener permanentemente la caldera del lado de la carcasa
para investigar también el tiempo de calentamiento inicial para alcanzar la temperatura de
54
saturación. Como base de la masa podemos tomar el volumen máximo para una caldera miniatura
que es de 5 pies cúbicos de la carcasa. A este valor se le debe restar el espacio de vapor. El
espacio de vapor se considerará como 1/5 del volumen interior de la carcasa, pero también acá se
debe restar el volumen que ocupan los tubos que estarán dentro de la misma.
En esta parte del diseño hubo que considerar la orientación de la caldera, la cual sería vertical, por
considerar que este diseño se adapta más a los objetivos de la investigación. Para poder restar el
volumen que ocupan los tubos dentro de la carcasa se hace necesario determinar el área de
transferencia de calor a través de los mismos, con lo que posteriormente encontraríamos el número
de tubos de la longitud adecuada que cumpla con los requisitos para una caldera miniatura.
Si se considera que la ebullición está en la región nucleada se puede utilizar la siguiente ecuación
(Welty, et al, 2005):
 q
Cp L Ts  Tsat 
 Csf  A
  L h fg
h fg


gc

g  L   v  

1
3
PrL
s
Ec. 17
Donde:
Cpl: calor específico del líquido saturado.
Ts: Temperatura de la superficie metálica.
Tsat: Temperatura de saturación.
Hfg: calor latente de vaporización.
: número de Prandtl del líquido saturado.
q/A: flujo de calor por unidad de área.
: viscosidad del líquido.
: tensión superficial de la interfase líquido-vapor.
g: aceleración de la gravedad.
: densidad del líquido saturado.
: densidad del vapor saturado.
Csf: constante determinada a partir de datos experimentales.
s: 1.0 para el agua y 1.7 para otros líquidos.
Las propiedades del agua líquida y del vapor se encontrarán a saturación.
S = 1.0 y Csf = 0.0132
55
De la ecuación anterior se puede despejar la relación de q/A, y la cantidad de q se conoce que son
los requerimientos.
El valor de ∆T se asumirá que es de 50 °C como una primera aproximación para poder calcular el
área aproximada de transferencia de calor requerida. Se calculará para la máxima presión que
puede soportar que es de 8.033227 kgf/cm2 absolutos, siendo su temperatura de saturación de
169.77 °C (aproximada a 170 °C), por lo que la temperatura de la superficie exterior de la tubería de
intercambio de calor será de 220 °C.
Despejando de la ecuación q/A queda:
*
(
)
+
[
√ (
(
[
)]
)
]
√
[
(
)
Pero el requerimiento es de 1 kW, entonces el área de transferencia requerida será:
Debido a que el área es muy pequeña, modificaremos el ∆T a un valor de 10 °C.
Entonces el valor de q/A es igual a: 561.59
Y el área será igual a: 0.0018 m2 (17.81 cm2)
En vista que los valores para el área dan muy pequeños para una producción proyectada de 1kW, se
probó con otras potencias y se eligió el valor de 20 kW, por considerarse que es un valor adecuado
56
]
para la escala con la que se proyecta la caldera. También se dimensionó la caldera para una
longitud de 50 cm y un diámetro interior de carcasa de 20 cm. Ya con estos valores da un diámetro
de tubería necesaria de 6.61 cm que se puede aproximar al valor de 9.52 cm que equivale a 5 tubos
de ¾ in. El ∆T será de 7 °C, por lo que la temperatura de la superficie exterior de los tubos en
contacto con el agua será igual a 177 °C.
De acá se puede decir que se pondrían 5 tubos de 50 cm de largo y de diámetro exterior de 3/4 in 12
BWG (0.109 in o 2.77 mm de espesor). Esto es para una carcasa de 20 cm de diámetro interior. (Ver
procedimiento iterativo en tabla 8).
Entonces el Volumen interior de la carcasa sin los tubos será: 15707.96 cm 3 (0.0157 m3 o 0.5548
pies cúbicos).
A este volumen se le debe restar el volumen que ocuparán los 5 tubos de 3/4 in y que será el
disponible para el agua:
Volumen de un tubo: 142.50 cm3.
Entonces el volumen disponible para el agua será: 15707.96 cm3 - 5(142.50 cm3) = 14995.46 cm3.
Pero de esto se le debe restar 1/5 para el espacio de vapor, entonces el volumen para el agua será:
11996.37 cm3 (aproximadamente 12 lts).
Para una producción de flujo de calor de 20 kW la producción de vapor será de 35.13 kg/h para una
presión de 8.033227 kgf/cm2 absolutos y de 34.12 kg/h para 5 kgf/cm2 absolutos.
Este flujo de calor de 20 kW lo debe de aportar idealmente la biomasa sólida consumida en el horno
de la caldera, por lo que la cantidad de biomasa sólida necesaria será:
̇ = ̇ .∆hcombustión (∆hcombustión=18003.24 kJ/kg) Ec. 18
̇ = 4.00 kg/h
Esta cantidad de leña sería para mantener el flujo másico de vapor, pero para calentar inicialmente
la cantidad de agua desde aproximadamente 25 °C hasta la temperatura de saturación se debe
calcular el calor sensible para este proceso.
La masa inicial en el espacio disponible para el agua será de 12 kgs.
Cp de agua líquida saturada a 25 °C = 4.1816 kJ/kg °C
Cp de agua líquida saturada a 170 °C = 4.36782 kJ/kg °C
Cp promedio entre estas 2 temperaturas: 4.2747 kJ/kg °C
El calor necesario para calentar esta agua hasta la máxima presión que está sirviendo para el diseño
será:
57
Q = mCp∆T = 12 kgs*4.2747 kJ/kg °C*(170 °C – 25 °C)= 7437.98 kJ (1776.531 kcal) Ec. 19
Para efectuar este calentamiento previo, la cantidad de biomasa sólida que se necesita es:
Q = m.∆hcombustión , de donde: m = 0.41 kg
Este calentamiento estaría sujeto a observación y también hay que mencionar que el horno de la
caldera se debe calentar previamente para lo cual se tiene que efectuar otro cálculo de los
requerimientos de biomasa sólida.
Datos importantes para tener en cuenta en el diseño son los gases de salida de la chimenea, los
cuales se presentan en la tabla 9, para un tipo de caldera, que nos puede servir de base para el
cálculo, en vista que no se tienen datos experimentales.
La caldera que se está diseñando debe soportar una presión de 7 kgf/cm2 manométricos, por lo que
utilizaremos el dato de temperatura máxima de gases de salida de chimenea de 253 °C de la tabla 9.
Considerando una temperatura de llama de la biomasa sólida de 1500 °C en el horno, y asumiendo
que los gases de combustión se producirán a esta temperatura y saldrán aproximadamente a 253 °C
se puede calcular en primer lugar el flujo de los gases de combustión en base a la ecuación teórica
de la combustión de la biomasa sólida, así como la entalpía con la que saldrán. Esto teniendo
presente que se puede comprobar con una medición de temperaturas en una caldera ya existente.
Para esto se tomará el dato del % de contenido de ceniza de aproximadamente 1 % según la tabla
10.
Partiendo de la reacción teórica de combustión de la celulosa:
(C6H10O5)n + 6nO2
6nCO2 + 5nH2O
Calculando el peso molecular de la celulosa da el siguiente valor: 162. Sabiendo que el flujo másico
de biomasa sólida es de 4 kg/h (esto es en base seca), restándole el 1 % de ceniza, suponiendo
despreciable el contenido de azufre, el resto de elementos disponibles será: 3.96 kg/h. Por lo tanto el
flujo molar será: 0.0244 kgmol/h.
Entonces, el O2 necesario teórico para la combustión será: 0.1464 kgmol/h (4.6848 kg/h).
58
Tabla 8. Cálculo iterativo del diámetro de los tubos internos.
∆T(°
C)
q/A(kJ/(m^2
s))
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.56
4.49
15.16
35.94
70.20
121.31
192.63
287.54
409.41
561.60
1895.40
4492.80
8775.00
15163.20
24078.60
35942.40
51175.80
70200.00
1kW
2kW
5kW
10kW
20kW
1kW
5kW
10kW
20kW
20kW/50cm
A(cm^2)
A(cm^2)
A(cm^2)
A(cm^2)
A(cm^2)
Do(cm)
Do(cm)
Do(cm)
Do(cm)
Do(cm)
51.94
6.49
1.92
0.81
0.42
0.24
0.15
0.10
0.07
0.05
0.02
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
259.68
32.46
9.62
4.06
2.08
1.20
0.76
0.51
0.36
0.26
0.08
0.03
0.02
0.01
0.01
0.00
0.00
0.00
519.36
64.92
19.24
8.11
4.15
2.40
1.51
1.01
0.71
0.52
0.15
0.06
0.03
0.02
0.01
0.01
0.01
0.00
1038.72
129.84
38.47
16.23
8.31
4.81
3.03
2.03
1.42
1.04
0.31
0.13
0.07
0.04
0.02
0.02
0.01
0.01
2267.16
283.39
83.97
35.42
18.14
10.50
6.61
4.43
3.11
2.27
0.67
0.28
0.15
0.08
0.05
0.04
0.02
0.02
17806.27 35612.54 89031.34 178062.68 356125.36
2225.78 4451.57 11128.92 22257.83 44515.67
659.49 1318.98 3297.46 6594.91 13189.83
278.22
556.45 1391.11 2782.23
5564.46
142.45
284.90
712.25
1424.50
2849.00
82.44
164.87
412.18
824.36
1648.73
51.91
103.83
259.57
519.13
1038.27
34.78
69.56
173.89
347.78
695.56
24.43
48.85
122.13
244.26
488.51
17.81
35.61
89.03
178.06
356.13
5.28
10.55
26.38
52.76
105.52
2.23
4.45
11.13
22.26
44.52
1.14
2.28
5.70
11.40
22.79
0.66
1.32
3.30
6.59
13.19
0.42
0.83
2.08
4.15
8.31
0.28
0.56
1.39
2.78
5.56
0.20
0.39
0.98
1.95
3.91
0.14
0.28
0.71
1.42
2.85
Fuente: Elaboración propia, 2013.
59
Tabla 9. Registro de temperaturas de salida de gases de caldera.
Presión de vapor de caldera, kg/cm2
Temp. máx. permitida en caldera pirotubular de
hogar interior (Marina Escocesa) SM, °C
1.05
204
1.75
214
3.50
231
5.25
243
7.00
253
8.75
262
10.50
269
12.25
276
14.00
281
14.25
296
21.00
303
Fuente: Kohan, A. L., 2000.
Tabla 10. Comparación de análisis final (base seca) de algunas biomasas y otros combustibles
fósiles.
Combustible
C(%)
H(%)
N(%)
S(%)
O(%)
Ceniza
(%)
HHV(kJ/kg)
Fuente
Arce
Abeto de Douglas
Abeto
de
Douglas(corteza)
Secoya
Secoya (residuos)
Lodos de depuradora
Paja de arroz
Cáscara de arroz
Aserrín
Papel
MSW
Residuos animales
Turba
Lignito
Carbón PRB
Antracita
Coque de petróleo
50.6
52.3
56.2
6.0
6.3
5.9
0.3
9.1
0
0
0
0
41.7
40.5
36.7
1.4
0.8
1.2
19958
21051
22098
Tillman, 1978
Tillman, 1978
Tillman, 1978
53.5
53.4
29.2
39.2
38.5
47.2
43.4
47.6
42.7
54.5
62.5
65.8
90.7
86.3
5.9
6.0
3.8
5.1
5.7
6.5
5.8
6.0
5.5
5.1
4.38
4.88
2.1
0.5
0.1
0.1
4.1
0.6
0.5
0
0.3
1.2
2.4
1.65
0.94
0.86
1.0
0.7
0
39.9
0.7
0.1
0
0
0.2
0.3
0.3
0.45
1.41
1.0
7.6
0.8
40.3
0.1
19.9
35.8
39.8
45.4
44.3
32.9
31.3
33.09
17.2
16.2
11.4
10.5
0.2
0.6
42.1
19.2
15.5
1.0
6.0
12.0
17.8
5.2
13.4
11.2
2.5
6.3
21028
21314
16000
15213
15376
20502
17613
19879
17167
21230
24451
26436
29963
29865
Tillman, 1978
Boley y Landers, 1969
Tillman, 1978
Tillman, 1978
Wen et al.,1974
Bowerman, 1969
Sanner et al, 1970
Tillman, 1978
Bituminous Coal Research, 1974
Probstein y Hicks, 2006
Fuente: Basu, 2010.
Así mismo los gases producidos que entrarán a los tubos interiores de la caldera y que saldrán
posteriormente por la chimenea serán: 0.1464 kgmol/h de CO 2 (6.4416 kg/h) y 0.1220 kgmol/h de
H2O (2.1960 kg/h).
Pero suponiendo que la leña entra al horno con 5 % peso de humedad y se quema con un 10 % mol
de aire en exceso, también entrarán 0.1980 kg/h de H2O en la leña (0.0110 kgmol/h), 0.0146 kgmol/h
60
de O2 en exceso en el aire (0.4672 kg/h) y 0.6058 kgmol/h de N2 en el aire (16.9629 kg/h), los
cuales entran a los tubos interiores y saldrán posteriormente por la chimenea a la temperatura de
salida de la misma.
Se hará un balance de materia y energía en el horno para averiguar la temperatura con la que se
producirán los gases de combustión de la biomasa sólida.
COMPROBACIÓN DE LA TEMPERATURA DE LA LLAMA.
Según la reacción de combustión de celulosa y del poder calorífico promedio utilizado para los
cálculos que es de 4300 kcal/kg (18003.24 kJ/kg).
Y utilizando la siguiente ecuación: Q =
+
-
, (ec. 20) utilizando
un método iterativo (Himmelblau, 1988).
Teniendo en cuenta las capacidades caloríficas de los compuestos involucrados en el proceso de
combustión, ver tabla 11.
Tabla 11. Capacidades caloríficas en función de la temperatura de los compuestos involucrados en
el proceso de combustión.
Compuesto
Cp/R
C6H10O5
3.639+0.506*10¯³T-0.227*10⁵T¯²
3.470+1.450*10¯³T+0.121*10⁵T¯²
5.457+1.045*10¯³T-1.157*10⁵T¯²
3.280+0.593*10¯³T+0.040*10⁵T¯²
O2
H 2O
CO2
N2
Fuente: Smith, et al, 1997.
Asumiendo que los reactivos entran al proceso de combustión a 25 °C, y como la referencia es 25
°C, la ecuación 20, queda: Q =
+
El valor de Q será lo que se necesita en el proceso de ebullición del agua en la caldera:
̇ = 20
El
*
= 72000 kJ/h
se encontrará mediante la integración para cada compuesto que saldrá del proceso
de la siguiente expresión:
∆H= ∫
dT Ec. 21
El
se tomará como el poder calorífico promedio de la biomasa sólida: 18003.24 kJ/kg
61
Suponiendo una eficiencia de caldera de 31.30 % (Arévalo, et al, 2011):
Para esto se necesitará:
̇
= 3.96 kg/h *
= 12.6518 kg/h = 0.0781 kgmol/h
= 18003.24 kJ/kg *12.6518 kg/h = 227773.39 kJ/h
Contra el siguiente valor se comparará el valor de la sumatoria de los ∆H de todos los compuestos a
diferentes temperaturas:
= -72000 kJ/h – (-227773.39 kJ/h) = 155773.39 kJ/h
Los nuevos valores teóricos formados o consumidos considerando la eficiencia de la caldera se
muestran en la tabla 12.
Tabla 12. Flujo másico y molar de los compuestos que intervienen en la reacción de combustión.
Compuesto
N° de moles (kgmol/h) Masa (kg/h)
O2 teórico
0.4686
15.00
O2 en exceso
0.0469
1.50
N2 entra y sale en aire
1.9393
54.30
CO2 producido
0.4686
20.62
H2O producida
0.3905
7.03
H2O en humedad de biomasa
0.0391
0.70
Fuente: Elaboración propia, 2013.
En base a estas cantidades calcularemos los ∆H de cada compuesto producido o en exceso en el
horno para cada temperatura asumida (ver tablas 13 y 14).
Tabla 13. Cambio de entalpía de los productos en el horno para T= 1000 K.
Compuesto ∆H molar (J/gmol) Flujo molar (kgmol/h) ∆H (kJ/h)
N2
21463.65
1.9393
41624.46
O2
22706.41
0.0469
1064.93
CO2
33536.09
0.4686
15715.01
H2O
25976.72
0.4296
11159.60
Total
69564.00
Fuente: Elaboración propia, 2013.
62
Tabla 14. Cambio de entalpía de los productos en el horno para para T= 2000 K.
Compuesto ∆H molar (J/gmol) Flujo molar (kgmol/h) ∆H (kJ/h)
N2
56145.50
1.9393
108882.97
O2
59177.02
0.0469
2775.40
CO2
91456.82
0.4686
42856.67
H2O
72959.55
0.4296
31343.42
Total
185858.46
Fuente: Elaboración propia, 2013.
Interpolando entre estos dos valores y el
encontrado anteriormente resulta un valor de
temperatura igual a 1741.30 K (1468.15 °C), con lo que se comprueba aproximadamente el valor
teórico de la temperatura de llama de la biomasa sólida que se reporta en la bibliografía que es de
1500 °C.
También para tener en cuenta la temperatura que se quiere mantener en el horno se detallan a
continuación en la tabla 15 la temperatura de ignición de algunos combustibles comunes. Así mismo
en la tabla 7 se presentan la comparación de análisis final (base seca) de algunas biomasas y otros
combustibles fósiles. Esto para tener en cuenta que el horno se debe mantener siempre con por lo
menos esa temperatura, lo cual se considera que se puede lograr porque sus paredes estarán
revestidas de ladrillo refractario. En el caso presente se aplica el rango de 220 °C y 285 °C para paja
de trigo y eucalipto respectivamente.
Tabla 15. Temperatura de ignición de algunos combustibles comunes.
Combustible
Temperatura de
Materia volátil en el
ignición (°C)
combustible (seco libre
de cenizas %)
Paja de trigo
220
72
Madera de álamo
235
75
Eucalipto
285
64
Etanol
425
Carbón de alta
670
34.7
volatilidad
Carbón de volatilidad
795
20.7
media
Antracita
930
7.3
Fuente: Basu, 2010.
Fuente
Grotkjaer et al., 2003
Grotkjaer et al., 2003
Grotkjaer et al., 2003
Mühlen y Sowa, 1995
Mühlen y Sowa, 1995
Mühlen y Sowa, 1995
63
CÁLCULO DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DE LA ZONA DE TUBOS DE LA CALDERA (ZONA
DE INTERCAMBIO DE CALOR CON EL AGUA).
El flujo másico de los gases de combustión y los de exceso en el horno que entrarán a los tubos se
muestra en la tabla 16.
Tabla 16. Flujo másico de los gases de combustión y los de exceso en el horno que entrarán a los
tubos.
Compuesto Flujo másico ( ̇ ) (kg/h)
N2
54.30
O2
1.50
CO2
20.62
H2O
7.73
Total
84.15
Fuente: Elaboración propia, 2013.
El valor de 84.15 kg/h equivale a 0.0234 kg/s. Y para el interior de cada tubo será 0.0234 kg/s /5
tubos = 0.0047 kg/s.
Esto es así porque para encontrar la temperatura de salida de la zona de intercambio de calor se
realizará para un tubo considerándose que lo mismo ocurrirá en los restantes 4 tubos con los que se
está proyectando la caldera.
Calculando el número de Reynolds para saber en qué región de flujo estará la velocidad con la que
se trabajará:
̇
Ec. 22
Donde:
: Número de Reynolds (adimensional)
̇ : Flujo másico (kg/h)
: Viscosidad dinámica (kg/m.s)
: Diámetro interno de la tubería (m)
Considerando una temperatura de entrada de los gases de combustión a la tubería de 1500 °C y
253 °C la de salida se puede encontrar una temperatura promedio, con la cual se encontrarán las
propiedades de los gases que se necesitan para ser sustituidos en la ecuación adecuada del flujo de
calor.
64
̅=
Se asumirá que los gases de combustión es aire para encontrar las propiedades y facilitar el cálculo.
Encontrándose que la viscosidad dinámica tiene un valor de 4.548 *
(Pa.s o kg/m.s), de tablas
(Welty, et al, 2005).
El valor de para la tubería requerida es de 0.532 pulg. que es igual 0.0135128 m.
Sustituyendo estos valores y el del flujo másico para cada tubo en la ecuación del número de
Reynolds (ec. 22):
Este valor de Reynolds indica que el flujo se encontrará en la región turbulenta por lo que
utilizaremos una ecuación para transferencia de calor por convección forzada sin cambio de fase
dentro de tubos para flujo turbulento, la cual es:
(
)
(
) (
)
Ec. 23
Donde:
: Coeficiente de transferencia de calor por convección forzada (W/m2.K)
D: Diámetro interno de la tubería (m)
k: conductividad térmica del fluido (W/m.K)
: Viscosidad dinámica (kg/m.s)
G: Velocidad másica (kg/m2.s)
Cp: Capacidad calorífica (J/kg.K)
: Viscosidad dinámica en la pared de la tubería (kg/m.s)
La ecuación anterior también se puede escribir en función de cada grupo adimensional que forman
las diferentes propiedades involucradas:
Ec. 24
Donde:
: Número de Nusselt (adimensional)
: Número de Reynolds (adimensional)
: Número de Prandtl (adimensional)
: Corrección de la viscosidad (adimensional)
65
Con la temperatura media encontrada anteriormente de 876.50 °C se encuentran las demás
propiedades que hacen falta en la ecuación (Welty, et al, 2005):
k= 0.074878 W/m.K
= 0.7117
= 2.484 *
(Pa.s o kg/m.s) (a Temperatura de pared igual a 177 °C (450.15 °C) encontrada
en la sección donde se utilizó la ecuación de ebullición).
Sustituyendo valores en la ecuación:
(
)
(
) (
)
Con este valor encontrado comprobaremos la temperatura asumida que es de 253 °C.
Necesitamos encontrar el valor de Cp del aire a 876.50 °C. De tablas: Cp=1174.50 J/kg.K.
Se sabe que el calor transferido a la pared interior del tubo viene dado por la ecuación para
convección (ec. 25).
̇=
A
Ec. 25
Donde:
̇ : flujo de calor por convección (W).
: Coeficiente de transferencia de calor por convección natural (W/m2.K)
A: Área de transferencia de calor (m2)
A=
=
= 0.0212 m2
Ec. 26
: Diferencia aritmética de temperatura (K o °C)
(
)
(
)
(
)
(
)
Entonces:
66
̇
0.0212 m2 * 192.1472 W/m2.K * (-299.85-0.5Tb)
También el flujo de calor es igual a:
̇= ̇
(
)= 0.0047 kg/s*1174.50 J/kg.K * (
)
Igualando las dos ecuaciones de ̇ :
0.0212 m2 * 192.1472 W/m2.K * (-299.85-0.5Tb) = 0.0047 kg/s*1174.50 J/kg.K * (
)
Resolviendo:
Tb = 934.08 K (660.93 °C)
Por lo que se considera que saldrían muy calientes. Por lo cual se modificará un poco el diseño
específicamente en la longitud de los tubos interiores. La nueva longitud será de 100 cm (1 m), por lo
que la nueva área de transferencia de calor será:
A=
=
= 0.0425 m2
Al hacer el mismo procedimiento de igualar las ecuaciones de flujo de calor pero cambiando el área
de transferencia nos da una temperatura de gases de salida de 607.25 K (334.10 °C), la cual se
considera aceptable porque es a la salida de la zona de intercambio de calor. La temperatura podría
disminuir al salir por la chimenea porque todavía tendría que recorrer ese tramo que está en
contacto con el aire ambiente con el cual podría tener algún enfriamiento por convección natural.
Con la nueva temperatura de salida de gases de combustión se puede volver a recalcular el hi para
tener el dato del área de transferencia disponible.
Realizando el mismo procedimiento anterior:
̅=
Encontrándose que la viscosidad dinámica tiene un valor de 4.655 *
(Pa.s o kg/m.s), de tablas
(Welty, et al, 2005).
= 0.532 pulg. (0.0135128 m)
67
Está siempre en la región turbulenta. Por lo que se puede utilizar la ecuación para transferencia de
calor por convección forzada sin cambio de fase dentro de tubos para flujo turbulento ya utilizada
anteriormente.
Con la nueva temperatura media encontrada de 917.05 °C se encuentran nuevamente k y
(Welty, et al, 2005):
k= 0.076865 W/m.K
= 0.7144
(
̇=
(
) (
)
A
(
̇
)
)
(
)
(
)
(
)
0.0425 m2 * 194.4873 W/m2.K * (-299.85-0.5Tb)
Necesitamos encontrar el valor de Cp del aire a 917.05 °C. De tablas: Cp=1183.28 J/kg.K.
̇= ̇
(
)= 0.0047 kg/s*1183.28 J/kg.K * (
)
Igualando las dos ecuaciones de ̇ :
0.0425 m2 * 194.4873 W/m2.K * (-299.85-0.5Tb) = 0.0047 kg/s*1183.28 J/kg.K * (
)
68
Resolviendo:
Tb = 604.86 K (331.71 °C)
Por lo que se comprueba la temperatura encontrada con la longitud de 1 m para cada tubo.
Entonces la transferencia de calor en los 5 tubos será:
̇ =5 * ̇
(
)= 5 * 0.0047 kg/s*1183.28 J/kg.K * (
) = - 24891.23 J/s
Ec. 27
Que equivale a 24.89 kJ/s (24.89 kW), que es aproximadamente el valor de 20 kW con el que se ha
proyectado inicialmente, considerándose aceptable por las pérdidas que se podrían dar en el
sistema debido a la energía que llevan los gases de combustión o por las paredes exteriores de la
caldera por convección natural con el aire ambiente. Esto último se podría evitar en parte mediante
un aislamiento adecuado de las paredes exteriores de la caldera.
CÁLCULO DEL VOLUMEN FINAL DE LA CALDERA.
Para que el volumen se mantenga igual al inicial proyectado de 15707.96 cm3 se calculará el nuevo
diámetro interior de la carcasa:
Ec. 28
√
√
Por lo que se puede considerar un diámetro interior de la carcasa de 15 cm.
El nuevo volumen interior de la carcasa será:
(
)
El volumen de un tubo con la nueva longitud de 100 cm será 285.02 cm3.
Volumen disponible para el agua = 17671.46 cm3 – 5*(285.02 cm3) = 16246.36 cm3
69
Restando 1/5 para el espacio de vapor el volumen disponible para el agua será:
Volumen de agua = 16246.36 cm3 – 0.2*16246.36 cm3 = 12997.09 cm3
13 lts (13 kgs)
La masa inicial definitiva en el espacio disponible para el agua será de 13 kgs.
Cp de agua líquida saturada a 25 °C = 4.1816 kJ/kg °C
Cp de agua líquida saturada a 170 °C = 4.36782 kJ/kg °C
Cp promedio entre estas 2 temperaturas: 4.2747 kJ/kg °C
El calor necesario para calentar esta agua hasta la máxima presión que está sirviendo para el diseño
será:
Q = mCp∆T = 13 kgs*4.2747 kJ/kg °C*(170 °C – 25 °C)= 8057.81 kJ (1924.575 kcal)
Para efectuar este calentamiento previo, la cantidad de biomasa sólida que se necesita es:
Q = m.∆hcombustión
m = 0.4476 kg
Lo mismo que se mencionó anteriormente este calentamiento estaría sujeto a observación y también
hay que mencionar que el horno de la caldera se debe calentar previamente para lo cual se tiene
que efectuar otro cálculo de los requerimientos de biomasa sólida.
El área de transferencia total será 5 * 0.0425 m2 = 0.2125 m2 (2125.00 cm2) y la transferencia de
calor será 24.89 kW, por lo que la relación Q/A será
(
)
Que está dentro de lo aceptable con el dato con el que se comenzó el cálculo que es de 192.63
kJ/m2.s para un ∆T = 7 °C (ver tabla 8).
CÁLCULO DE OTRAS DIMENSIONES DE LA CALDERA.
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CARCASA DE LA CALDERA.
Se ha mencionado que el diámetro interior de la caldera para la realización de cálculos del volumen
interior es de 15 cm que equivale a 5.905512 plg. Buscando en la tabla de tamaños normalizados de
70
tubería el más próximo es de 6.065 plg (15.4051 cm) de diámetro interior que corresponde a un
espesor de pared de 0.28 plg (cédula 40) cuyo diámetro exterior es 6.625 plg (16.8275 cm). El
tamaño nominal es de 6 plg. (Welty, et al, 2005).
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL HORNO DE LA CALDERA.
Algunas dimensiones de la caldera se diseñaran en base a relaciones de semejanza con una
caldera ya existente, a la cual se le midió experimentalmente la eficiencia en el módulo de biomasa
de la Maestría en Energías Renovables y Medio Ambiente, la cual se presenta en la figura 15.
Figura 15. Panorámica de la caldera del CENTA.
Fuente: Arévalo, et al, 2011.
La relación de altura del horno con respecto de la altura de la caldera del CENTA es de 0.40. Por lo
que para la caldera a nivel experimental será de:
Altura horno caldera experimental= 1m * 0.40 = 0.40 m (40 cm).
El diámetro será cilíndrico y será de acero también al igual que la carcasa pero recubierto en su
interior de ladrillo refractario y de un espesor mayor.
71
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL ESPACIO EN LA PARTE SUPERIOR DE LA CALDERA
PARA LA RECEPCIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN.
La relación de altura del espacio para la recepción con respecto de la altura de la caldera del CENTA
es de 0.1743. Por lo que para la caldera a nivel experimental será de:
Altura del espacio para recibir los gases de combustión de la caldera experimental=1 m*
0.1743=0.1743 m (17.43 cm). Este también tendrá forma cilíndrica y será del mismo material que la
carcasa de la caldera experimental.
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CHIMENEA DE LA CALDERA.
La relación de altura de la chimenea con respecto a la altura de la caldera de CENTA es de 2.18.
Por lo que para la caldera experimental será:
Altura de chimenea de caldera experimental= 1 m * 2.18 = 2.18 m
La relación del diámetro de la chimenea al diámetro de la caldera de CENTA es de 0.27. Para el
caso de la caldera experimental será:
Diámetro exterior de chimenea = 16.875 cm * 0.27 = 4.56 cm.
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA BASE DONDE SE ASIENTA LA CALDERA.
La relación de la caldera de CENTA es de 0.17 de altura. Para la caldera experimental será:
Altura de la base caldera experimental= 1 m * 0.17 = 0.17 m (17 cm)
Se considera que la base será de acero pero de mayor espesor que la carcasa y rodeado en su
exterior de ladrillo como aislante térmico.
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL AGUJERO DE LA ENTRADA DE AIRE EN LA BASE
DONDE SE ASIENTA LA CALDERA (ver figura 16).
Es el mismo agujero donde se extraen las cenizas. Por relaciones de semejanza las dimensiones
serán:
Altura= 17 cm
Anchura superior= Relación (anchura superior/diámetro) de la caldera de CENTA*17 cm= 0.31*17
cm = 5.27 cm
Anchura inferior= Relación (anchura inferior/diámetro) de la caldera de CENTA*17 cm= 0.26*17 cm =
4.42 cm.
Tendrá una compuerta de altura variable para regular la entrada de aire.
72
5.27 cm
17 cm
4.42 cm
Figura 16. Dimensiones del agujero de la entrada de aire en la base de la caldera.
Fuente: Elaboración propia, 2013.
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DEL AGUJERO DE ALIMENTACIÓN DE LA BIOMASA SÓLIDA.
La relación del diámetro del agujero de alimentación de biomasa al diámetro de la caldera de CENTA
es 0.38. Por lo tanto para la caldera experimental será:
Diámetro del agujero de alimentación de biomasa = 16.8275 cm * 0.38 = 6.33 cm
Dicho agujero se tapará con una compuerta también circular.
CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN DESDE LA ENTRADA DE AIRE HASTA LA
SALIDA DE LA CHIMENEA.
La altura total que recorrerá el aire desde la entrada (que es donde sale también la ceniza) hasta la
altura de la chimenea será:
Altura total = Altura de la base + altura del horno + altura de la carcasa + altura del espacio para los
gases de combustión + altura de la chimenea = 0.17 m + 0.40 m + 1 m + 0.1743 m + 2.18 m = 3.92
m
Aplicando la ecuación de balance general de energía mecánica (ec. 12):
*
+
Si se considera que
(
)
∫
∑
, por tomar el punto 1 en la entrada de aire a ras del suelo,
porque no hay energía mecánica involucrada,
,
, por lo tanto ∆P=0, porque el punto 1 y el 2
están abiertos a la atmósfera, z1 =0, por tomar el punto 1 al ras del suelo, y que
, que es el
coeficiente de corrección de la energía cinética, la ecuación anterior se reduce a:
∑
73
Se puede calcular por continuidad la velocidad 2, ya que se conoce el flujo másico de los gases de
combustión:
̇
El diámetro externo de la chimenea es 4.56 cm (1.795276 plg), el más próximo normalizado es 1.900
plg, al cual le corresponde un diámetro interior de 1.610 plg (4.0894 cm) con espesor igual a 0.145
plg (0.3683 cm), por lo que el tamaño nominal será 1 ½ plg cédula 40.
El área de la sección transversal es: A= 13.13649 cm2 = 0.001313649 m2
̇
Y sabiendo que el flujo másico es: ̇
(
)
Considerando siempre que es aire para cuestiones del diseño, la densidad a 331.71 °C (604.86 K)
será: 0.5868 kg/m3.
Entonces:
̇
Conociendo la velocidad 2, se pueden encontrar las pérdidas, tanto primarias como secundarias,
∑ .
Dividiendo la ecuación de balance general de energía mecánica simplificada entre g y despejando
∑
(
)
(
)
CÁLCULO DEL ESPESOR DEL AISLANTE DE LA SUPERFICIE EXTERIOR DE LA CALDERA.
Se calculará en primer lugar la pérdida de calor por convección natural de una caldera existente
como es el caso de la de CENTA.
Los datos a utilizar son (Arévalo, et al, 2011):
T superficie exterior de la caldera= 37 °C
T ambiente= 30.5 °C
Altura de la caldera= 1.75 m
Diámetro de la caldera= 97 cm (0.97 m)
74
Y utilizando la ecuación para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección natural
(McCabe, 1991):
 L3  2 g ΔT
f
f

hL
 Cp 
 b


2
kf
k

f


f

N Nu , f  bN Gr N Pr n
f





n
Ec. 29
Ec. 30
(306.90 K)
A esta temperatura de película se encontrarán las propiedades del aire a partir de tablas de
propiedades (Welty, et al, 2005).
El valor del coeficiente de convección natural es de 2.84 W/m2K.
Y aplicando la ecuación de transferencia de calor por convección:
Q=hA(Tw-
)= 98.44 W (98.44 J/s) es lo que se pierde por convección natural.
Con este valor se igualará a la transferencia de calor por conducción a través de paredes cilíndricas
compuestas (Holman, 1998) para obtener el espesor del aislante:
(
)
Ec. 31
El espesor de aislante que será lana de vidrio será de 2 plg (5.08 cm). El aislante estará recubierto
por una lámina de acero de espesor delgado.
CÁLCULO DE LA POTENCIA DE LA BOMBA PARA INTRODUCIR EL AGUA A LA CALDERA.
Básicamente tendrá que vencer la presión en el interior de la caldera que es de 7 kgf/cm2
manométricas. Al hacer los cálculos el valor que resulta es bastante pequeño por lo que se
considera que una potencia de ¼ de HP sería suficiente.
RESUMEN DE LOS PRINCIPALES DATOS PARA DIMENSIONAR LA CALDERA EXPERIMENTAL.
Diámetro exterior de la carcasa= 6.625 plg (16.8275 cm)
Diámetro interior de la carcasa= 6.065 plg (15.4051 cm)
Espesor de la carcasa= 0.28 plg (7.112 mm)
75
Número de tubos interiores= 5
Longitud de los tubos interiores= 1 m
Diámetro exterior de los tubos interiores= 0.75 plg (1.905 cm)
Diámetro interior de los tubos interiores= 0.641 plg (1.628 cm)
Espesor de los tubos interiores= 0.109 plg (2.7686 mm)
Presión máxima de operación de la caldera= 7 kgf/cm2 manométricas
Temperatura máxima de operación en el lado del agua de la caldera= 170 °C
Altura de la chimenea= 2.18 m
Diámetro exterior de la chimenea= 4.56 cm
Diámetro del agujero de alimentación de biomasa = 16.8275 cm * 0.38 = 6.33 cm
El material de los tubos interiores y de la carcasa tiene que ser un acero con bajo contenido de
carbono para que resista altas temperaturas especialmente en la base pero que cumpla con las
normas constructivas que se encuentran en el código ASME.
También es necesario mencionar que la caldera tendrá sus accesorios como son: medidor de
presión de vapor, medidor de nivel de agua, válvulas de seguridad, codos y uniones para las
tuberías de salida de vapor y de entrada del agua de alimentación.
TIPO DE MATERIALES CON SUS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PARA CONSTRUIR LA
CALDERA.
Los materiales para construir la caldera están basados en las normas del código de THE AMERICAN
SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, 2010, ASME, Boiler & Pressure Vessel Code, USA,
2011. El tipo de material se puede consultar en los códigos ASME-BPVC SEC I Rules for
Construction of Power Boilers. Los cuales son:
Parte PG.
Requisitos generales para todos los métodos de construcción.
Para la construcción de la carcasa:
PG-6.1. Las placas de acero para cualquier parte de una caldera sujeta a presión, sea o no expuesta
al fuego o productos de la combustión, deberá ser de calidad de recipiente a presión de acuerdo con
una de las siguientes especificaciones:
SA-515. Las placas de recipientes a presión, de acero al carbono, para servicio de temperatura
intermedia y superior. Estas placas (láminas) están destinadas principalmente para la fabricación de
76
calderas y otros recipientes a presión soldados que tienen temperaturas de servicio medias y
superiores.
SA-387. Las placas de recipientes a presión, acero de aleación, cromo-molibdeno. Estas placas
(láminas) están destinadas para la fabricación de calderas y recipientes a presión soldados
diseñados para operación a alta temperatura.
Para tubos interiores de la caldera, tuberías y accesorios:
PG-9.1. Las partes de calderas deberán tener las siguientes especificaciones:
SA-106. Tubería de acero al carbono sin soldadura para servicio de alta temperatura. Esta tubería es
apta para el plegado, abridamiento, operaciones de formado similares, y para ser soldada.
SA-192. Tubos de la caldera de acero al carbono sin soldaduras para alta presión de servicio.
SA-105. Piezas de forja, acero al carbono, para componentes de tuberías.
SA-181. Tuberías de acero bridas forjadas o laminados, accesorios y válvulas forjados y piezas para
servicios generales.
SA-182. Forjado o laminado de acero de aleación de tubería bridas, forjado accesorios y válvulas y
piezas para servicio de alta temperatura (ferrítico solamente).
Para el material refractario del horno de la caldera se puede utilizar la norma ISO 2245:2006, que
dice lo siguiente:
ISO 2245:2006 especifica una clasificación de los productos aislantes refractarios moldeados,
basado en la determinación del cambio permanente en la dimensión de calefacción, con una
clasificación secundaria basado en la densidad aparente para cubrir productos ligeros (de Clase L).
Se excluyen los productos compuestos por fibras cerámicas.
Por ejemplo, consultando en internet empresas que se dedican a la fabricación de ladrillos
refractarios, la empresa Morgan Thermal Ceramics tiene la siguiente clasificación para sus productos
(ver tabla 17):
Tabla 17. Características principales de los ladrillos refractarios Morgan.
JM 23
JM 26
JM 28
JM 30
JM 32
Insalcor
Clasificación ISO 2245
125 0.5L 140 0.8L 150 0.9L 160 1.0L 170 1.2L 180 1.3L
Temperatura de
°C 1260
1430
1540
1650
1760
1790
clasificación
Fuente: Morgan Thermal Ceramics, 2009.
Por lo que para el caso de la caldera experimental el adecuado sería el 150 0.9L cuya temperatura
de clasificación es 1540 °C.
77
Requerimientos de soldadura.
En lo referente a las soldaduras que se puedan llevar a cabo para soldar la carcasa o los tubos a las
tapaderas de la carcasa se puede consultar en el código ASME: sección I, reglas para la
construcción de calderas de poder, específicamente en la parte PW, Requirements for Boilers
Fabricated by Welding.
Los electrodos deberán basarse también en las normas AWS (American Welding Society). La
Sociedad Americana de Soldadura ofrece más de 200 normas de soldadura que se utilizan en todo
el mundo en incontables industrias. Las normas de la AWS son seguras y obligatorias debido a que
son creadas por comités de profesionales de la soldadura voluntarios bajo la autoridad de la
American National Standards Institute o Instituto Nacional de Normalización Estadounidense (ANSI,
por sus siglas en inglés).
En las figuras 17, 18 y 19 se muestran unos esquemas de la caldera diseñada y dimensionada.
78
Figura 17. Esquema de la caldera experimental diseñada con sus dimensiones
Fuente: Elaboración propia, 2013.
79
Figura 18. Esquema de la distribución de los tubos interiores dentro de la carcasa de la caldera (vista
superior y de frente).
Fuente: Elaboración propia, 2013.
80
Figura 19. Esquema de la caldera experimental diseñada con sus entradas y salidas al proceso.
Fuente: Elaboración propia, 2013.
81
CONCLUSIONES.
-
Los resultados obtenidos en cuanto al diseño de la caldera experimental se observa que son
congruentes con los objetivos propuestos ya que la longitud de los tubos interiores resultó que
es adecuada, 1 m.
-
El volumen de agua que puede contener la caldera es de 13 litros (13 kgs).
-
La presión de diseño es de 7 kgf/cm2.
-
La biomasa que se debe utilizar es leña cuyo poder calorífico esté alrededor de 4300 kcal/kg,
aunque se podrían utilizar otras pero variando la alimentación a la caldera para mantener la
misma producción de vapor.
-
El flujo de calor para el que se ha calculado es de 20 kW.
-
Las dimensiones calculadas han sido en base a la utilización de ecuaciones relacionadas con la
teoría que se planteó en un inicio.
-
De la investigación realizada se puede decir que estudios sobre el análisis del poder calorífico de
diferentes tipos de biomasa sólida ha habido desde hace bastantes años.
-
El diseño de la caldera experimental y su posterior construcción, de ser posible, puede servir de
base para futuros trabajos de investigación relacionados con el uso de la biomasa sólida para
producir energía, no solamente calórica, sino que también para ver la posibilidad de producir
energía eléctrica al acoplarle alguna turbina y un generador de tamaño también experimental a
pequeña escala.
-
Si se pudiera construir posteriormente la caldera experimental serviría para poder comprobar la
eficiencia de diferentes tipos de biomasa sólida que actualmente no se utilizan para el
aprovechamiento de energía.
-
Posteriormente también se podría combinar con el aprovechamiento de energía solar al tener un
calentamiento previo del agua de alimentación a la caldera.
-
También se podría ver la posibilidad de hacer algún precalentamiento del horno por medio de
biogás que se le podría adaptar alguna tubería de este gas combustible que procediera de algún
digestor cercano a la caldera.
82
RECOMENDACIONES.
-
En primer lugar se recomienda de ser posible la construcción de la caldera experimental para
comprobar el funcionamiento.
-
Si acaso no fuera factible la construcción se recomienda hacer simulaciones con algún software
simulador de procesos.
-
Hacer pruebas de diferentes tipos de leña o desechos agrícolas e industriales en la caldera una
vez construida.
-
Si la caldera funcionare correctamente y produjera buena presión de vapor estudiar la posibilidad
de adaptarle alguna turbina y un generador a escala pequeña y observar si es capaz de generar
energía eléctrica.
-
También estudiar la posibilidad de precalentar con energía solar el agua de alimentación a la
caldera.
-
Estudiar la posibilidad de diseñar una caldera con orientación horizontal para comparar sus
eficiencias energéticas.
-
También estudiar la posibilidad de fabricar briquetas y/o pellets de diferentes desechos agrícolas
o agroindustriales para adaptarle a la caldera una alimentación de biomasa más eficiente.
-
Si se llegara a construir la caldera a nivel experimental se recomienda no mezclar diferentes
tipos de biomasa a la hora de quemar en el horno, ya que el objetivo es caracterizar cada tipo de
biomasa por separado.
-
Si se llegaran a mezclar se debe tener conocimiento de la composición química de cada tipo de
biomasa debido a que podrían originarse reacciones adversas en la combustión con productos
que pudieran dañar la estructura de la caldera.
-
Se deben caracterizar los gases de combustión de los diferentes tipos de biomasa que se
quemarán en el horno de la caldera y que saldrán posteriormente por la chimenea, para
cuantificar el nivel de contaminación que pueden provocar.
-
Si se llegara a construir la caldera experimental se debe tener en cuenta que se deben hacer
visitas periódicas de parte del personal del Ministerio de Trabajo encargado de inspeccionar su
funcionamiento.
-
Se recomienda hacer estudios de monitoreo ambiental en cuanto a lo concerniente a la
contaminación de NOx.
-
También se recomienda elaborar algún manual de seguridad para la operación de la caldera.
83
-
Si se llegara a construir la caldera se deben utilizar los materiales adecuados basados en
normas internacionales como son el código ASME 2010 o las normas ISO2245:2006.
84
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
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módulo), Universidad de El Salvador, El Salvador, C.A.
28. THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, (2011). “2010 ASME Boiler &
Pressure Vessel Code”, USA.
87
ANEXOS
Anexo 1. Capacidad instalada y disponible de las centrales generadoras
de electricidad de El Salvador al 31 de diciembre de 2011.
Fuente: SIGET, 2012.
88
Anexo 2. Plantas a partir de biomasa existentes y en fase de proyecto en
España 2011.
Fuente: Energiza. (noviembre, 2011).
89
Fuente: Energiza. (noviembre, 2011).
90
Fuente: Energiza. (noviembre, 2011).
91
Fuente: Energiza. (noviembre, 2011).
92
Anexo 3. Producción de energía primaria a partir de biomasa en Europa.
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
93
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
94
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
95
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
96
Fuente: EurObserv’ER, diciembre, 2012.
97
Anexo 4. Cuestionario.
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE NICARAGUA, LEÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA/
UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES Y MEDIO AMBIENTE 1ra. Ed.
CUESTIONARIO PARA SER ADMINISTRADO A REPRESENTANTES DE EMPRESAS DONDE
UTILIZAN CALDERAS DE BIOMASA
Respetables señores:
La investigación que se está llevando a cabo pretende obtener información sobre el uso de calderas de
biomasa en industrias que las estén utilizando actualmente en el país.
Esta investigación está siendo realizada por un estudiante egresado de la Maestría en Energías
Renovables y Medio Ambiente, 1era edición, de la Universidad de El Salvador con el objeto de recopilar
información confiable para tener un buen punto de partida para el desarrollo de la tesis.
El uso que se le dará a la información es de carácter educativo y tecnológico con el afán de contribuir en
alguna medida al desarrollo de nuestro país.
OBJETIVO: Obtener información relacionada con las calderas de biomasa utilizadas en las industrias
visitadas.
INDICACION: Favor responder a todas las respuestas siguientes, al finalizar la entrevista revisar que estén
completos todos los espacios de respuestas.
DEPARTAMENTO: ______________________MUNICIPIO:_______________________
CANTÓN: _____________________________CASERÍO:_________________________
FECHA DE LA ENTREVISTA: ____/____/______
NOMBRE DEL ENTREVISTADOR: ___________________________________________
EMPRESA O INDUSTRIA: _________________________________________________
PARTE I:
DATOS GENERALES:
1. Nombre del entrevistado (a):____________________________________________________
2. Cargo del entrevistado (a): _____________________________________________________
3. Sexo: M: ___ F: ___
4. Edad: ____________
5. Tiempo de trabajar en la empresa: ____________
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PARTE II:
6. ¿Qué producto se produce en la empresa?
7. ¿Cantidad de producción de la empresa?
8. ¿Materia prima utilizada?
9. Período de operación al año, mes y horario laboral.
PARTE III:
10. ¿Utiliza caldera de biomasa en el proceso de producción?
Sí: _____ No: _____
11. ¿Utiliza una o más calderas de biomasa en el proceso de producción?
a) Una: ____ b) Varias: ____ c) ¿Cuántas? ____
12. ¿Qué tipo de caldera de biomasa utiliza en el proceso de producción?
a) De tubos de fuego: ____ b) De tubos de agua: ____ c) Otro tipo: ____ ¿Cuál?
13. ¿Qué tipo de biomasa quema en la caldera?
a) Leña: ____ ¿Qué variedades principalmente?
b) Bagazo de caña: ____
c) Cascarilla de café: ____
d) Rastrojos de cultivos: ____ ¿Cuáles?
e) Desechos de la producción: ____
f) Otros: ____ ¿Cuáles?
14. ¿Cuál es la fuente del tipo de biomasa que utiliza en la caldera? (¿de donde proviene?)
15. ¿Qué cantidades de la biomasa utilizada consume por unidad de producción o anualmente, o por día o
por hora?
16. ¿A qué presión y temperatura trabaja normalmente la o las calderas utilizadas?
17. ¿Cuál es el consumo de agua en la caldera por unidad de producción o anualmente/diariamente/hora
utilizada en el proceso?
18. ¿Tienen registros de las temperaturas de salida de los gases de chimenea de la caldera?
Si: ____ No: ____
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19. ¿Tienen registros de la composición de salida de los gases de chimenea de la caldera?
Si: ____ No: ____
20. ¿Los podrían facilitar?
Si: ____ No: ____
21. ¿Tienen registros de las temperaturas alcanzadas en el horno de la caldera?
Si: ____ No: ____
22. ¿Los podrían facilitar?
Si: ____ No: ____
23. ¿Cuenta con economizador o precalentamiento de agua de suministro a caldera?
24. ¿Qué tipo de economizador utiliza?
25. ¿Cuál es el destino final de las cenizas de la caldera y de la purga de las calderas?
26. ¿Qué tipo de tratamiento recibe el agua de las calderas?
27. La caldera ¿ha sido fabricada en el país o fuera del país?
a) En el país: ____ b) Fuera del país: ____
28. Si ha sido fabricada en el país, ¿en que taller de mecánica industrial ha sido fabricada?
29. Si ha sido fabricada fuera del país, ¿cuál es la marca?
30. ¿Poseen manual de uso y especificaciones de la caldera?
Si: ____ No: ____
31. Si poseen manual ¿podrían facilitarlo?
Si: ____ No: ____
26. Estarían en la disposición de permitir tomar mediciones de temperaturas y de composición de gases de
chimenea en la caldera de biomasa?
Si: ____ No: ____
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Anexo 5. Poderes caloríficos de especies forestales.
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